CS212183B1

CS212183B1 - Method of preparation of the aluminium yttrit garnet with increased luminescence

Info

Publication number: CS212183B1
Application number: CS853180A
Authority: CS
Inventors: Jiri Kvapil; Joseg Kvapil; Bohumil Perner
Original assignee: Jiri Kvapil; Joseg Kvapil; Bohumil Perner
Priority date: 1980-12-05
Filing date: 1980-12-05
Publication date: 1982-02-26

Abstract

Způsob přípravy monokrystalů yttritohlinitáho granátu se zvýšenou luminiscencí, vhodných jako aktivní laserový materiál zejména pro pulsní laserový provoz, čehož se dosáhne tím, že monokrystaly se pěstují z taveniny, obsahující příměs iontů neodymu a iontů titanu, v ochranné armosféře složené ze vzácných plynů a vodíku a po vypěstování se temperuji ve vakuu při teplotách 1 200 až 1 900 °C půl až dvacet hodin.A method for preparing single crystals of yttrialuminum garnet with increased luminescence, suitable as an active laser material, especially for pulsed laser operation, which is achieved by growing the single crystals from a melt containing an admixture of neodymium ions and titanium ions, in a protective atmosphere composed of noble gases and hydrogen and, after growth, they are tempered in vacuum at temperatures of 1,200 to 1,900 °C for half to twenty hours.

Description

Vynález se týká způsobu přípravy monokrystalů yttritohlinitého granátu s mimořádně intenzívní luminiscencí na vlnová délce 1 064 nm při buzení ve viditelné části spektra.The present invention relates to a process for the preparation of yttrium aluminum garnet single crystals having extremely intense luminescence at a wavelength of 1064 nm while exciting in the visible part of the spectrum.

Yttritohlinitý granát s příměsí iontů neodymu je v současné době nejvýhodnější laserový aktivní materiál. Ionty neodymu vykazují luminiscenci na čáře 1 064 nm. Příznivá doba života této luminiscence, vysoké hodnota průřezů laserového přechodu a malé ztráty na vlnové délce emise umožňují zásadně dosáhnout vysoké účinnosti laseru s tímto aktivním materiálem. Relativním nedostatkem je věak.malá účinnost čerpání, způsobené tím, že neodymité ionty vykazuji jen úzké absorpční linie, které většinou ani nezasahují .do emisních linii obvyklých výbojek, používaných pro čerpání. Z tohoto důvodu se někdy používá yttritohlinitý granát s příměsí iontů neodymu a dalších iontů, které mají široké absorpční pásy a přitom jsou schopné předat absorbovanou energii iontům neodymu.Yttrium aluminum garnet with admixture of neodymium ions is currently the most preferred laser active material. Neodymium ions show luminescence at the 1064 nm line. The favorable lifetime of this luminescence, the high cross-sectional value of the laser transition and the low emission wavelength losses make it possible in principle to achieve a high laser efficiency with this active material. The relative drawback is, however, the low pumping efficiency due to the fact that the neodymium ions exhibit only narrow absorption lines, which usually do not even reach the emission lines of conventional discharge lamps used for pumping. For this reason, a yttrium aluminum garnet is sometimes used with admixture of neodymium ions and other ions which have wide absorption bands and are capable of transmitting the absorbed energy to the neodymium ions.

Obvyklou dalěí příměsí jsou ionty chromité. Vyšší luminiscenční účinnost je však zpravidla vyvážena zhoršenou optickou strukturou takového aktivního materiálu, takže účinnost laseru například v kontinuálním nebo aktivním klíčovaném provozu je stejné jako u materiálu bez iontů chromitýoh, případně se zhorší struktura emitovaného světelného svazku natolik, že podíl využitelné energie svazku je nízký. Proto se kodotace yttritého granátu s obsahem iontů neodymu dalšími ionty téměř neužívá.Chromium ions are a common additive. However, the higher luminescence efficiency is generally offset by the deteriorated optical structure of such active material, so that the laser efficiency in, for example, continuous or active keyed operation is the same as the chromium-free material, or the emitted light beam structure deteriorates so much. Therefore, the codotation of yttrium garnets containing neodymium ions by other ions is hardly used.

Výhodné spektrální a optické vlastnosti mají monokrystaly yttritohlinitého granátu s příměsí iontů neodymu, připravené způsobem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že monokrystaly se pěstují z taveniny, obsahující příměs 3 až 7 % hmot iontů neodymu a 5.10”4 o^-2 % hmot. iontů titanu pod ochrannou atmosférou, složenou z 90 až 99 % obj.Advantageous spectral and optical properties have yttrium aluminum garnet monocrystals admixed with neodymium ions prepared according to the process of the invention, characterized in that the monocrystals are grown from melt containing 3 to 7% by weight of neodymium ions and 5.10-4 by ^-2 % by weight . titanium ions under a protective atmosphere composed of 90 to 99 vol.

vzácného plynu, jako je argon nebo helium, případně jejich směsi a 10 až 1 % obj. vodíku, načež se temperují ve vakuu za tlaku menšího než 10^-2 Pa při teplotě 1 200 až 1 900 °C po dobu 30 min až 20 hodin.a noble gas, such as argon or helium, or mixtures thereof, and 10 to 1 vol% hydrogen, then tempered under vacuum at less than 10 ^-2 Pa at a temperature of 1200 to 1900 ° C for 30 min to 20 hours .

Pěstováním monokrystalů v uvedené ochranné atmosféře dojde k úplné redukci i stopových množství iontů železa, pravidelně přítomných ve výchozích surovinách. V nepřítomnosti iontů železa vyvolají ionty titanu za přítomnosti iontů neodymu při současném nadbytku kovových iontů ve vypěstovaných monokrystalech širokopásmovou absorpci s maximem v oblasti 500 až 600 nm, která je aktivní, tj. světlo absorbované v tomto nově vzniklém pásu-přispívá k luminiscenci iontů neodymu a tím i k vyšší účinnosti laseru, využívajícímu tohoto krystalu jako aktivního laserového materiálu. Zároveň se vzrůstem absorpce ve viditelné a s ní těsně sousedící infračervené oblasti vzrůstá mírně absorpce na vlnové délce 1 064 nm, což zvyšuje poněkud ztráty v aktivním laserovém materiálu.The cultivation of single crystals in this protective atmosphere will lead to a complete reduction of the trace amounts of iron ions regularly present in the starting materials. In the absence of iron ions, titanium ions in the presence of neodymium ions, with the concomitant excess of metal ions in the cultivated monocrystals, produce broadband absorption with a peak in the region of 500-600 nm that is active, ie light absorbed in this newly formed band thereby increasing the efficiency of the laser utilizing the crystal as an active laser material. At the same time as the absorption in the visible and closely adjacent infrared region increases, the absorption at a wavelength of 1064 nm increases slightly, increasing somewhat losses in the active laser material.

Ukázalo se však, že minimální ztráty při maximálním zisku vykazuji monokrystaly, ve kterých nežádoucí barevné centra vzniklé v růstových podmínkách byla odstraněna temperací ve vakuu. Použité malá příměs iontů titanu nezpůsobí zhoršení optické jakosti monokrystalů.However, it has been shown that minimal losses at maximum gain show single crystals in which undesirable color centers formed under growth conditions were removed by vacuum tempering. The small amount of titanium ions used does not cause deterioration of the optical quality of the single crystals.

Způsobem podle vynálezu lze připravit aktivní laserový materiál, který oproti běžně při pravovanému yttritohlinitému granátu s příměsí iontů neodymu vykazuje podstatné zvýšení zisku oproti mírně zvýšeným ztrátám a zachované optické homogenitě a je proto vhodný zejména pro pulsní laserový provoz.By the method according to the invention, an active laser material can be prepared which exhibits a significant increase in gain over slightly increased losses and retained optical homogeneity in comparison with a conventional yttrium-aluminum garnet with an admixture of neodymium and is therefore particularly suitable for pulsed laser operation.

PříkladyExamples

1. Monokrystaly yttritohlinitého granátu o délce 70 mm a průměru 20 mm byly pěstovány z taveniny metodou Czoohralskiho za použití molybdenových kelímků a,ochranné atmosféry složené z 50 % obj helia, 45 % obj. argonu a 5 % obj. vodíku. Tavenina obsahovala 6,5 % hmot. iontů neodymu a 8.10“^ % hmot. iontů titanu. Monokrystaly byly rozřezány na hranolky o rozměrech 7 x 7 x 65 mm, které byly temperovány 18 hodin při teplotě 1 450 °C za tlaku 10'³ Pa.1. Yttrium-aluminum garnet single crystals of 70 mm length and 20 mm diameter were grown from the melt using the Czoohralski method using molybdenum crucibles and a protective atmosphere composed of 50 vol% helium, 45 vol% argon and 5 vol% hydrogen. The melt contained 6.5 wt. % of neodymium ions and 8.10% -wt. titanium ions. Single crystals were cut into strips of dimensions 7 x 7 x 65 mm, which were annealed for 18 hours at 1450 ° C under a pressure of 10 ^-3 mbar.

Poté byly opracovány na laserové tyče o průměru 6 mm a délce 60 mm, které byly opatřeny na čelních plochách antireflexními vrstvami a porovnány se stejně zpracovanými, případně v oxidační nebo redukční armosféře temperovanými tyčemi, připravenými z monokrystalů yttritohlinitého granátu se stejnou příměsí iontů neodymu,ale bez příměsi iontů titanu.They were then machined on laser bars with a diameter of 6 mm and a length of 60 mm, which were provided with antireflective layers on the front surfaces and compared with equally treated, possibly in oxidation or reduction armosphere tempered bars prepared from yttrium aluminum garnet single crystals with the same admixture of neodymium ions. free of titanium ions.

V pulsním laserovém provozu s použitím 30% výstupního zrcadla byly tyče připravené způsobem podle vynálezu v průměru o 30 % lepší co do účinnosti než tyče ostatní; v kontinuálním provozu za použití 95% výstupního zrcadla byla jejich účinnost o 8 % horší.In pulsed laser operation using a 30% output mirror, the bars prepared by the method of the invention were on average 30% better in efficiency than the other bars; in continuous operation using 95% output mirrors, their efficiency was 8% worse.

2. Monokrystaly yttritohlinitého granétu byly pěstovány stejným způsobem jako v předchozím příkladu s tím rozdílem, že ochranné atmosféra sestávala z 98 % obj. argonu a _2 % obj. vodíku a tavenina obsahovala 4,3 % hmot. iontů neodymu a 2.10 % hmot. iontů titanu. Temperace byla prováděna na nezpracovaných vypěstovaných monokrystalech při teplotě 1 800 °C po dobu 6 hodin ve vodíku. Z monokrystalů byly zhotoveny laserové tyče o průměru 6 mm a délce 60 mm, jejichž čela byla opatřena antireflexními vrstvami a byly porov- , nény s tyčemi stejných rozměrů zhotovenými z monokrystalů bez příměsi iontů titanu.2. Yttrium-aluminum granulated monocrystals were grown in the same manner as in the previous example, except that the protective atmosphere consisted of 98% by volume argon and 2% by volume hydrogen and the melt contained 4.3% by weight. % of neodymium ions and 2.10 wt. titanium ions. Tempering was performed on unprocessed grown single crystals at 1800 ° C for 6 hours in hydrogen. Single rods were made of 6 mm diameter and 60 mm long laser bars, the faces of which were coated with antireflective layers and compared to bars of the same dimensions made of single crystals without the addition of titanium ions.

V pulsním provozu s 30% výstupním zrcadlem vykazovaly laserové tyče zhotovené z monokrystalů s příměsí iontů titanu podle vynálezu v průměru o 10 % měnší prahovou energii a při desítinésobném převýšení čerpací prahové energie dvojnásobnou účinnost proti tyčím z monokrystalů, které ionty titanu neobsahovaly. V kontinuálním provozu s 95% výstupním zrcadlem byla účinnost o 35 % horší.In pulsed operation with a 30% exit mirror, laser bars made of single crystals with admixture of titanium ions according to the invention exhibited on average 10% lower threshold energy and at a 10-fold increase in pumping threshold energy double efficiency against single crystal rods without titanium ions. In continuous operation with a 95% exit mirror, efficiency was 35% worse.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Process for the preparation of yttrium-aluminum granulated monocrystals with increased luminescence of the neodymium ions present, characterized in that the monocrystals are grown from a melt containing 3 to 7 wt. % of neodymium ions and 5.10 to 5.10 ^-2 wt. titanium ions under a protective atmosphere composed of 90 to 99% by volume of a noble gas or a mixture thereof, such as argon, helium, and 10 to 1% by volume of hydrogen, then tempered under a vacuum of less than 10 Pa at 1 200 to 1900 ° C for 30 minutes to 20 hours.