CS260074B1 - Způsob přípravy a následného zpracování neodymem aktivovaného yttritohlinitého granátu pro lasery - Google Patents

Abstract

Způsob přípravy monokrystalů neodymem aktivovaného yttritohlinitého granátu (YAG:Nd) pro lasery pěstováním z taveniny v atmosféře argonu obsahujícího 2-50 obj. % vodíku a na každý objemový díl vodíku 0,001-0,01 objemového dílu vodní páry. Vypěstované monokrystaly případně z nich zhotovené polotovary se zahřívají v atmosféře obsahující vedle inertního plynu 2-100 obj. % vodíku nebo ve vakuu o tlaku zbytkových plynů 10-6 až 10"2 Pa při teplotě 1 500 až 1 950 °C až do vymizení absorpčního pásu s maximem 340 až 370 nm. Tato temperace je doplněna směsí kyslíku s 0,5 až 30 obj. % halogenu nebo tetrahalogen metanu po dobu 5.100 h o teplotě 1 000 až 1 500 °C. Uvedený způsob pěstování a návazného tepelného zpracování je možno s výhodou použít i u monokrystalů obsahujících vedle neodymu další koaktivátory např. chrom nebo cer. Tímto způ­ sobem připravené monokrystaly se vyzna­ čují optimálními laserovými vlastnostmi, tj. s vysokým zesílením, nízkými ztrátami a nízkou citlivostí na krátkovlnný podíl čerpacího světla.

Description

Předmětem vynálezu je způsob přípravy monokrystalů yttritohlinitého granátu aktivovaného neodyroem využitelných jako aktivní laserový materiál s vysokou účinností konverze čerpacího světla na stimulovanou emisi a omezenou tepelnou deformací při vyšších čerpacích příkonech.

Monokrystaly yttritohlinitého granátu aktivovaného neodymem (zkratka YAG:Nd, chemické složení Y-jAljjOj^iNd) nacházejí široké využiti jako aktivní laserový materiál. Energetická účinnost laseru vybaveného tímto aktivním materiálem je výrazně ovlivněna přítomností barevných center. Barevná centra v aktivním materiálu představují nejen neaktivní absorpci světla výbojek, ale zároveň ovlivňují, převážně negativně kvantovou účinnost a zvyšují ztráty na emisní vlnové délce laseru. Koncentrace a stálost barevných center závisí na celé řadě vlivů, z nichž některé mohou působit i opačně. Tak např. yttritohlinitý granát aktivovaný neodymem bez obsahu iontů přechodných prvků a pěstovaný pod redukční (vodík obsahující) ochrannou atmosférou, obsahuje růstová barevná centra projevující se jako hnědé zabarvení.

Po temperaci v atmosféře obsahující volný kyslík je přídavné zbarvení. Po temperací v atmosféře obsahující volný kyslík je přídavné zbarvení monokrystalů prakticky odstraněno a v jejich spektru lze identifikovat pouze absorpční čáry neodymu. Také absorpční hrana leží při vlnové délce nižší než 250 nm. Ozářením světlem výbojky vznikají vlivem krátkovlnného podílu tohoto světla barevná centra - většinou s krátkou dobou života, která vadí pro funkci laseru.

Proto je třeba světlo výbojek filtrovat, používat příměsi, která vznik barevných center v yttritohlinitém granátu omezuje nebo volit jako konečné zpracování temperaci ve vodíku, po které je tvorba radiačních barevných center potlačena, ale základní absorpce materiálu je vždy poněkud vyšší. Filtraci světla výbojky a použití příměsí může rovněž, alespoň pro hrčité typy laserového provozu, znamenat snížení účinnosti.

Uvedené nedostatky lze odstranit způsobem přípravy neodymem aktivovaného yttritohlinitého granátu pro lasery podle vynálezu, který je vyznačen tím, že monokrystaly jsou pěstovány z taveniny pod atmosférou obsahující vedle argonu 2-50 obj. % vodíku a na každý objemový díl vodíku 0,001-0,01 objemového dílu vodní páry, načež jsou monokrystaly zahřívány v atmosféře obsahující 2-100 obj. % volného vodíku anebo ve vakuu o tlaku zbytkových plynů 10 ⁶ až 10^-2 Pa při teplotě 1 500 až 1 950 °C až do vymizení absorpčního pásu s maximem při 340 až 370 nm a poté jsou zahřívány v atmosféře obsahující 1-100 obj. % kyslíku při teplotě 1 000 až 1 500 °C po dobu 5-100 hodin. Pěstováním v uvedené atmosféře se připraví monokrystaly obsahující méně než 10^-4 hmot. % železa a mědi, ale také křemíku, což je jednou z podmínek vysoké spektroskopické kvality, projevující se např. polohou absorpční hrany v blízkosti 250 nm po konečném tepelném zpracování. Vodní pára v uvedené malé koncentraci zrychlí těkání Si a Mg jen relativně v malé míře, avšak obvykle používaným molybdenovým a wolframovým kelímkům ještě neškodí.

Nezbytným důsledkem růstu v redukčních podmínkách je však také nadbytek kovových a nedostatek kyslíkových iontů v mřížce monokrystalu, což se projeví jako barevná centra.

Při uvedeném poměru H₂:H₂O vznikají barevná centra snadno odstranitelná následnou temperací. Temperací v atmosféře obsahující vodík anebo ve vakuu se odstraní nadbytečné kovové ionty, přičemž ukončení této temperace je indikováno vymizením absorpčního pásu s maximem při 340 až 370 nm. Doba a teplota temperace závisí na rozměrech krystalu nebo polotovarů, obsahu příměsí a koncentraci barevných center. V mřížce monokrystalu však potom existují kyslíkové vakance, a to zejména v blízkosti objemných iontů neodymitých, což ve svých důsledcích vede sice k relativně radiačně stálému materiálu, ale jeho kvantová účinnost není optimální. Teprve po následující temperaci v atmosféře obsahující volný kyslík dojde k zaplnění kyslíkových vakancí v blízkosti iontů neodymu ionty kyslíku, přičemž lokalizace párových kladných nábojů ve vakanclch kationtových se neprojeví negativně na spektrálně luminiscenčních vlastnostech neodymem aktivovaného ytrltohlinitého granátu. Teplota posledriě uvedené temperace však nesmí přestoupit 1 500 °C, protože jinak se přebytkem 0 iontů v krystalu zvýší jeho citlivost na UV ozáření.

V případě použití temperace v prostředí obsahujícím volný kyslík bezprostředně po růstu je uvedený materiál citlivý na působení krátkovlnného světla, protože v něm lze předpokládat poruchy způsobené obsazením hliníkových pozic ytriem a obráceně případně přítomností kovových iontů v polohách, které mají být v dokonalé mřížce neobsazeny. Pokud však byl růst a temperace provedeny způsobem podle vynálezu, jsou laserové vlastnosti monokrystalů ytritohlinitého granátu aktivovaného neodymem optimální, pokud jde o vysoké zesílení, nízké ztráty a nízkou citlivost na krátkovlnný podíl čerpacího světla.

Způsobem podle vynálezu lze s výhodou připravovat také monokrystaly obsahující vedle neodymu další koaktivátory, např. 5.10^-4 až 5.10^-2 hmot. % chrómu a nebo ceru. Účinnost konečného zahřívání v atmosféře obsahující volný kyslík se dále zvýší tím, že se při ní použije směsi 1 až 70 » obj. kyslíku a 30 až 99 % obj. vzácného plynu nebo směsi 70 až 99,5 % obj. kyslíku a 0,5 až 30 % obj. halogenu, případně tetrahalogenmetanu. Uvedené příměsi způsobují zvýšení reaktivity kyslíku. Podobného účinku lze docílit ozonizaci použitého kyslíku.

Způsobem podle vynálezu lze připravovat monokrystaly ytritohlinitého granátu aktivovaného neodymem s optimálními vlastnostmi pro použití jako aktivní laserový materiál.

Přikladl

Monokrystaly yttritohlinitého granátu s obsahem 0,7 hmot. % neodymu byly pěstovány Czochralsklho metodou pod ochrannou atmosférou složenou z 88 obj. % argonu, 11,68 obj. % vodíku a 0,32 obj. % vodní páry. Monokrystaly byly po vypěstování zahřívány bez ochlazení v téže atmosféře při teplotě 1 82Ů až 2 850 °C po dobu 6 hodin, načež byly rychlostí 50 až 75 °C/h ochlazeny na pokojovou teplotu. Uvedené zahříváni při průměru monokrystalů 28 mm plně postačilo k odstraněni hnědého zbarvení (absorpce s maximem při 400-480 nm) i anomální absorpce s maximem při 357 nm, jak ukázalo měření absorpčních spekter na odříznutých destičkách. Potom byly monokrystaly zahřívány v kyslíku obsahujícím 2-0,2 obj. % CBr^ na teplotu 1 450 °C po dobu 48 hodin. Z monokrystalů byly zhotoveny laserové tyče o průměru 4 mm a délce 75 mm, které při čerpání kryptonovou výbojkou v pozlaceném reflektoru a s resonátorem o reflektivitě výstupního zrcadla 92% vykázaly prahový čerpací příkon 400 W. Laserové tyče připravené z monokrystalů vypěstovaných stejným způsobem, ale okamžitě po vypěstování ochlazených, což mělo za následek zachování ánomální absorpce od 250 do 800 nm, měly prahové čerpání o 80 W vyšší a po 400 hodinách provozu při čerpání 3,5x vyšším než bylo původní čerpání prahové, se jejich výstupní výkon snížil z 22 na 17 W. Prvé tyče měly trvalý výkon 24 W.

Příklad 2

Monokrystaly yttritohlinitého granátu s obsahem 0,65 hmot. % Nd a 0,020 hmot. % Cr o průměru 35 mm a délce 135 mm byly pěstovány Czechralskiho metodou za použití molybdenových kelímků a ochranné atmosféry složení z 34,9 obj. % vodíku, 0,1 obj. % vodní páry a 65 obj. % argonu. Vypěstované monokrystaly byly po zhotovení čelních ploch a kontrole optické homogenity rozřezány na hranolky o rozměrech 7 x 7 x 12 mm. Prvá část hranolků byla temperována ve vakuu o tlaku zbytkových plynů 3.10 ⁴ Pa při teplotě 1 650 °C po dobu 90 minut. Tím byl zcela odstraněn jejich hnědý ostín, avšak po přeleštění dvou protilehlých ploch byl měřením při 350 nm zjištěn extinkční koeficient absorpce, až 0,9 cm Druhá část hranolků byla temperována ve vakuu za stejných podmínek po dobu 30 minut, což vedlo k úplnému vymizení uvedeného ultrafialového absorpčního pásu. Druhá část hranolků byla rozdělena na dvě poloviny, z nichž prvá byla přímo zpracována na laserové tyče o průměru 6 a délce 120 mm, druhá polovina byla s prvou částí zahřívána na vzduchu při teplotě 1 250 °C po dobu 30 hodin a poté z nich byly zhotoveny laserové tyče stejných rozměrů. Ve zkušebním laseru opatřeném xenonovou výbojkou, postříbřeným reflektorem a rezonátorem o reflektivitě výstupního zrcadla 40 % vykázaly při čerpání 100 J tyče zhotovené z prvé části hranolků, výstupní energii 1,0-1,13, tyče zhotovené z prvé poloviny druhé části hranolků pouze 0,8-0,95 J a tyče zhotovené z druhé poloviny téže části hranolku 1,2-1,35 J.

Claims (2)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Způsob přípravy monokrystalu hlinitoyttritého granátu dotovaného 0,5-1,5 hmot. % neodymu, případně kodotovaného 5.10^-4 až 5.10^-2 hmot. % chrómu anebo 5.10^-4 až 5.10^-2 hmot. % ceru vyznačený tím, že monokrystaly se pěstují z taveniny v atmosféře obsahující vedle argonu 2 až 50 obj. % vodíku a na každý obj. díl vodíku 0,001 až 0,01 objemového dílu vodní páry, načež se zahřívají v atmosféře obsahující 2 až 100 obj. % volného vodíku anebo ve vakuu o tlaku zbytkových plynů 10^-6 až 10^-2 Pa při teplotě 1 500 až 1 950 °C až do vymizení absorpčního pásu s maximem při 340 až 370 nm a poté se zahřívají v atmosféře obsahující 1 až 100 obj. % kyslíku při teplotě 1 000 až 1 500 °C po dobu 5 až 100 h.
2. 2. způsob podle bodu 1 vyznačený tím, že 0,5 až 30 obj. % kyslíku při temperaci je nahrazeno halogenem nebo tetrahalogenem metanem.