CS264696B1

CS264696B1 - Způsob přípravy yttritohlinitého granátu aktivovaného neodymem s nízkým absorpčním pozadím

Info

Publication number: CS264696B1
Application number: CS88910A
Authority: CS
Inventors: Jiri Ing Drsc Kvapil; Josef Ing Csc Kvapil; Bohumil Ing Csc Perner
Original assignee: Kvapil Jiri; Kvapil Josef; Perner Bohumil
Priority date: 1988-02-15
Filing date: 1988-02-15
Publication date: 1989-08-14
Also published as: CS91088A1

Abstract

Způsob přípravy yttritohlinitého granátu aktivovaného neodymem s nízkým absorpčním pozadím spočívající v tom, že monokrystaly se pěstují z taveniny obsahující 50 až 58 % hmot. oxidu yttritého, 41 až 43 hmot. % oxidu hlinitého, 3 až 9 hmot. % oxidu neodymitého a 2.10"4 až 5.10-2 hmot. % oxidu zirkoničitého pod ochrannou atmosférou obsahující 2 až 60 obj. procent vodíku a 40 až 98 obj. % vzácného plynu. Tímto způsobem se připraví laserový aktivní materiál, který s ohledem na smíšenou absorpci světla při pěstování vytvoří konvexní fázové rozhraní podmiňující tvorbu bezdefektní krystalové mřížky. Velmi nízká absorpce tohoto materiálu po temperaci je potom nutným předpokladem pro vysokou energetickou účinnost laseru a prakticky úplně potlačenou citlivost na krátkovlnné složky záření výbojky laseru.

Description

(57) Způsob přípravy yttritohlinitého granátu aktivovaného neodymem s nízkým absorpčním pozadím spočívající v tom, že monokrystaly se pěstují z taveniny obsahující 50 až 58 % hmot. oxidu yttritého, 41 až 43 hmot. % oxidu hlinitého, 3 až 9 hmot. % oxidu neodymitého a 2.10⁴až 5.10^-2 hmot. % oxidu zirkoničitého pod ochrannou atmosférou obsahující 2 až 60 obj. procent vodíku a 40 až 98 obj. % vzácného plynu. Tímto způsobem se připraví laserový aktivní materiál, který s ohledem na smíšenou absorpci světla při pěstování vytvoří konvexní fázové rozhraní podmiňující tvorbu bezdefektní krystalové mřížky. Velmi nízká absorpce tohoto materiálu po temperaci je potom nutným předpokladem pro vysokou energetickou účinnost laseru a prakticky úplně potlačenou citlivost na krátkovlnné složky záření výbojky laseru.

CS 264 696 B1

CS 264 696 Bl

Předmětem vynálezu je způsob přípravy monokrystalů yttritohlinitého granátu aktivovaného neodymem s velmi nízkým absorpčním pozadím ve viditelnné a blízké infračervené oblasti a (o jak při pěstování tak při použití v lasem pod vlivem intenzivního světelného zářeni.

Yttritohlinitý granát aktivovaný neodymem (Y₃Al₅0i₂:Nd, resp. YAG:Nd) je v současné době nejdůležitějším aktivním materiálem propevnolátkové lasery. Podmínkou optimální funkce tohoto materiálu v laserech je, spolu s dokonalou optickou homogenitou, vysoký stupeň zesílení a nízké ztráty stimulované emise. Všechna uvedené kritéria citlivě závisejí na absorpci materiálu ve viditelné a blízké infračervené oblasti spektra. Vyšší absorpce během pěstování má za následek relativní přehřívání rostoucího monokrystalu oproti tavenině. Monokrystal potom nemůže vyrůstat pod hladinou taveniny a tím se nevytvoří barevné fázové rozhraní, keré je základní podmínkou jeho strukturní a tím i optické dokonalosti. Absorpce v oblasti čerpacích pásů potom snižuje čerpací účinnost a absorpce v oblasti emise zvyšuje ztráty v laserových tyčích. Navíc se i malá zbytková absorpce v blízké ultrafialové a viditelné části spektra většinou podstatně zvýší při intenzívním ozařování světlem výbojek případně působení ionizujícího záření. Intenzita absorpčního pozadí závisí na obsahu příměsí včetně některých složek resp. nečistot z případné ochranné atmosféry a lze ji snížit vhodnou temperaci a některými dalšími příměsemi zejména pak ionty ceru. Přesto jsou při pěstování YAG:Nd v redukčních růstových podmínkách dostatečně nízká absorpce a jí podmíněný konverzní, nejlépe kuželovitý tvar rozhraní taveniny a monokrystalu obtížně reprodukovatelné. Během laserového provozu YAG:Nd je zapotřebí filtrovat světlo výbojky alespoň běžným sodnovápenatým sklem s absorpční hranou 300 až 400 mm. Přesto má zbytková absorpce za následek zhoršenou funkci laseru při vysokých průměrných výkonech nebo při extrémních teplotních, případně radiačních podmínkách.

Uvedené nedostatky jsou téměř beze zbytku odstraněny u monokrystalů yttritohlinitého granátu aktivovaného neodymem s nízkým absorpčním pozadím a připravených způsobem podle vynálezu vyznačeného tím, že monokrystaly se pěstují z taveniny obsahující 50—58 hmot. % oxidu yttritého, 41 —43 hmot. % oxidu hlinitého, 3 — 9 hmot. % oxidu neodymitého a 2.10^-4 — 5.10^-2 hmot. % oxidu zirkoničitého pod ochrannou atmosférou obsahující 2-60 obj. % vodíku a 40—98 obj. % vzácného plynu. Ionty zirkoničité se v nepatrném množství zabudovávají do mřížky rostoucího monokrystalu, kde vyrovnávají nižší mocenství případně jako nečistot přítomných iontů přechodných prvků, dvojmocných iontů některých vzácných zemin a iontů alkanických zemin. Totéž lze předpokládat o kationtových vakancích. Výsledná průměrná valence kationtů a kationových vakancí potom činí + 3. lonty zirkoničité rovněž kompenzují nepříznivý vliv stop uhlíku a dusíku z ochranné atmosféry. Redukční prostředí je přitom nutné proto aby, se do monokrystalu zabudovalo dostatečné množství iontů Z_r ⁴⁺ a další redukce znečisťujících iontů při tcmpcracích nebo ozařování již nebyla možná. Tím se zabrání přenosu nosilelů náboje přes kyslíku vou mřížku s jejich dočasnou nebo trvalou lokalizací v blízkosti iontu Nd’⁺, což je jinak vlastní příčinou širokopásmové absorpce v yttritohlinitém granátu akvivovaném neodymem.

Způsobem podle vynálezu tak lze pěstovat vysoce jakostní laserové monokrystaly yttritohlinitého granátu aktivovaného neodymem, a to i za použití výchozích surovin, případně ochranné atmosféry s relativně vysokým obsahem nečistot.

Příklad 1

Monokrystaly yttritohlinitého granátu o průměru 32 mm a délce 120 mm aktivované neodymem byly pěstovány Czochralskiho metodou z taveniny obsahující 58,6 hmot. % oxidu yttritého, 42,6 hmot. % oxidu hlinitého, 4,8 hmot. % oxidu neodymitého a přibližně 10³hmot. % nečistot, jako jsou ionty přechodných prvků, vápníku, yterbia a molybdenu z použitého kelímku. Pěstování probíhalo pod ochrannou atmosférou složenou z 90 obj. % argonu a 10 obj. % vodíku. Monokrystaly zíkaly během růstu anomální hnědé zbarvení, které zabraňovalo vzniku kuželovitého fázového rozhraní potřebného pro dosažení jejich vysoké optické homogenity. Přijatelnou homogenitu bylo možno dosáhnout jen u tyčí o průměru max. 5 mm. Po temperaci ve vodíku při teplotě 1 760 °C hnědý odstín monokrystalů vymizel, ale měření laserových tyčí zhotovených z temperovaných monokrystalů ukázalo relativně vysokou absorpci na emisní vlnové délce Nd³⁺, a to 0,35 %/cm. V případě, že tavenina pro pěstování obsahovala navíc 1,8.10^-3 hmot. % iontů zirkonu bylo hnědé zbarvení vypěstovaných monokrystalů zcela nevýrazné a jejich optická homogenita se zvýšila natolik, že z nich bylo možno zhotovovat zcela bezdefektní tyče o průměru až 8 mm. Po provedené temperaci ve vodíku vykazoval tento materiál při laserovém měření na emisní vlnové délce absorpci 0,1 %/cm. Také po temperaci na vzduchu byla absorpce na prakticky stejné úrovni, zatím co u monokrystalů pěstovaných z taveniny prosté zirkonu měla za následek až o 50 % vyšší absorpci než u monokrystalů temperovaných ve vodíku. Příklad 2

Monokrystaly yttritohlinitého granátu o průměru 30 mm a délce 110 mm aktivovaného neodymem byly pěstovány Czochralskiho metodou z taveniny obsahující 54 hmot. % oxidu yttritého, 42,1 hmot. % oxidu hlinitého a 3,9 hmot. % oxidu neodymitého, za použití surovin o čistotě 99,9999 % a ochranné atmosféry složené z 75 obj. % helia a 25 obj. % vodíku. Kelímky by byly monolybdenové. Monokrystaly vykazovaly v důsledku kolísajícího znečištění ochranné atmosféry stopami uhlovodíků hnědý odstín proměnlivé intenzity, který byl, v porovnání s monokrystaly pěstovanými za použití surovin nižší čistoty obtížně odstranitelný temperám' v redukční atmosféře nebo ve vakuu.

Po lemperaci v oxidační atmosféře při I 500 I 1,00 sici' hnědý odstín rychle vynii zel, ale laserové tyče zhotovené z těchto monokrystalů vykazovaly po osvětlení xenonovou výbojkou zvýšení absorpce na vlnové délce 1 064 pm z 0,15 na 0,45 % cm, a to i při použití optického filtru s absorpční hranou 420 mm

Claims

PŘEDMĚT

Způsob přípravy yttritohlinitého granátu aktivovaného neodymem s nízkým absorpčním pozadím vyznačený tím, že monokrystaly se pěstují z taveniny obsahující 50 až 58 % hmot. oxidu yttritého, 41 až 42 hmot. % oxidu hlinitéCS 264 696 Bl 4 mezi výbojkou a tyčí. Proto byl do taveniny přidán oxid zirkoničitý v koncentraci 7.TÍH hmot. %.

Vypěstované monokrystaly potom měly jen slabý hnědý odstín, který bylo možno snadno odslianit lemperaci pli I 500—I 600 C v libovolném prostředí. Laserové tyče z temperovaných monokrystalů měly na vlnové délce 1 064 nm absorpci nižší než 0,08 %/cm a nezvýšila se ani po ozařování nefiltrovaným světlem laserových výbojek.

VYNÁLEZU ho, 3 až 9 hmot. % oxidu neodymitého a 2.10⁴až 5.10'² hmot. % oxidu zirkoničitého pod ochrannou atmosférou obsahující 2 až 60 obj. procent vodíku a 40 až 98 obj. % vzácného plynu.