Разработка материалов для бесцветных фильтров УФ излучения

Известно, что свет УФ-диапазона даже при относительно малых интенсивностях является вредным для органов зрения человека. Лазерное излучение видимого диапазона спектра и малых интенсивностей уже способно повредить органы зрения человека. Поэтому материал, имеющий постоянное высокое оптическое поглощение в УФ-области спектра является фактически идеальной оптической защитой, покрывающей спектральный диапазон излучений, опасных для органов зрения человека. На сегодняшний день такой материал может быть полезен в системах защиты органов зрения людей и оптических приборов, работающих в горах, на обширных водных пространствах, аэропортах, оптических лабораториях. Для защиты от воздействия на органы зрения света ближнего УФ-диапазона существует широкий набор оптических фильтров. Большинство этих фильтров имеют окраску в видимой области спектра, так как полосы поглощения центров окраски в ближнем УФ-диапазоне имеют достаточно большую ширину (что естественно для стеклообразных материалов) и край полос поглощения таких центров окраски, как правило, частично перекрывает коротковолновый видимый диапазон. 
Среди прозрачных в видимом диапазоне материалов, которые представляют большой интерес для данной задачи, можно выделить кристалл хлорида меди CuCl, представляющий собой широкозонный полупроводник, в котором разрешены прямые переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости. Энергия осциллятора у экситонов CuCl высока, что определяет его большое поглощение  (5*104 см-1). Кроме того, экситонное поглощение у кристалла CuCl имеет крайне резкую границу в УФ области спектра  - не менее 20 см-1/нм. Но, наряду со всеми достоинствами, кристалл CuCl имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что при нормальных атмосферных условиях такой кристалл гигроскопичен. 
Этот недостаток был преодолен путем создания гетерофазной среды (стеклокерамики), в которой наноразмерные кристаллы CuCl распределены в стеклообразной матрице, которая служит надежной защитой от воздействия влаги.
 
Заготовки боратного стекла, активированного ионами меди, полученные после синтеза с различной концентрацией сахара (C12H22O11). Стрелками отмечены макрокристаллы меди
 
Первым этапом разработки искомого материала является синтез стекла калиевоалюмобратной матрицы, активированного ионами меди и хлора. Основными задачами данного этапа являются оптимизация состава шихты для получения в дальнейшем необходимой степени окисления ионов меди и оптимизация технологических параметров синтеза для получения однородного оптически прозрачного материала. Для перевода большей части ионов меди в одновалентное состояние в качестве восстановителей были использованы C12H22O11 и NH4H2PO4. Всего в рамках данного исследования было синтезировано 39 составов стекла. В конечном итоге получился однородный стеклообразный материал, прозрачный в видимой и ближней ИК областях спектра, содержащий полосы поглощения ионов одновалентной меди и малоинтенсивные полосы поглощения ионов двухвалентной меди. 
 
Спектры поглощения боратных стекол, активированных ионами меди и галогенов, с различным содержанием монофосфата аммония (NH4H2PO4): 1 –5%, 2 –10%, 3 –15%
 
 
Вторым этапом разработки является создание непосредственно стеклокерамики посредством термоиндуцированной кристаллизации нанокристаллической фазы хлорида одновалентной меди в полученном после синтеза стекле. Основной задачей данного этапа является оптимизация режима изотермической обработки для получения нанокристалов определенного размера, интенсивность поглощения которых будет наибольшей в УФ области спектра. В итоге были получены стеклокерамики, прозрачные в видимой области спектра, активированные нанокристаллами CuCl со средним размером в диапазоне 5-10 нм. Несмотря на небольшие размеры наклон границы поглощения кристаллов в ближней УФ области спектра сохранился на уровне поглощения макрокристаллов и составил порядка 19 см-1/нм. Интенсивность поглощения в УФ области составила 500 см-1, что соответствует нулевому пропусканию. Таким образом, полученная боратная стеклокерамика, активированная нанокристаллами хлорида одновалентной меди, становится идеальным фильтром для защиты от воздействия УФ излучения.
 
Спектры коэффициента поглощения боратных стекол, активированных нанокристаллами (НК) различного размера (указан над спектрами). Температура регистрации спектров 77 К. На вставке: спектр коэффициента поглощения образца без нанокристаллов и образца, активированного нанокристаллами со средним размером 6,5 нм