CZ292090B6 - Způsob výroby kompaktních složených monokrystalů - Google Patents
Způsob výroby kompaktních složených monokrystalů Download PDFInfo
- Publication number
- CZ292090B6 CZ292090B6 CZ2002932A CZ2002932A CZ292090B6 CZ 292090 B6 CZ292090 B6 CZ 292090B6 CZ 2002932 A CZ2002932 A CZ 2002932A CZ 2002932 A CZ2002932 A CZ 2002932A CZ 292090 B6 CZ292090 B6 CZ 292090B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- single crystals
- temperature
- doped
- group
- ion
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 121
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 28
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 15
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 12
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 8
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 7
- 238000005496 tempering Methods 0.000 claims description 7
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 6
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 claims description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- -1 silicate ions Chemical class 0.000 claims description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 3
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 abstract description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 2
- 229920001202 Inulin Polymers 0.000 abstract 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 abstract 1
- JYJIGFIDKWBXDU-MNNPPOADSA-N inulin Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)OC[C@]1(OC[C@]2(OC[C@]3(OC[C@]4(OC[C@]5(OC[C@]6(OC[C@]7(OC[C@]8(OC[C@]9(OC[C@]%10(OC[C@]%11(OC[C@]%12(OC[C@]%13(OC[C@]%14(OC[C@]%15(OC[C@]%16(OC[C@]%17(OC[C@]%18(OC[C@]%19(OC[C@]%20(OC[C@]%21(OC[C@]%22(OC[C@]%23(OC[C@]%24(OC[C@]%25(OC[C@]%26(OC[C@]%27(OC[C@]%28(OC[C@]%29(OC[C@]%30(OC[C@]%31(OC[C@]%32(OC[C@]%33(OC[C@]%34(OC[C@]%35(OC[C@]%36(O[C@@H]%37[C@@H]([C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O%37)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%36)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%35)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%34)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%33)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%32)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%31)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%30)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%29)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%28)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%27)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%26)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%25)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%24)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%23)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%22)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%21)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%20)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%19)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%18)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%17)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%16)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%15)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%14)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%13)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%12)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%11)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O%10)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O9)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O8)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O7)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O6)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O5)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O4)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O3)O)[C@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 JYJIGFIDKWBXDU-MNNPPOADSA-N 0.000 abstract 1
- 229940029339 inulin Drugs 0.000 abstract 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract 1
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 abstract 1
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 abstract 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 6
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 6
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 5
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 5
- 230000005501 phase interface Effects 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 150000004645 aluminates Chemical class 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000012364 cultivation method Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000002223 garnet Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 208000037824 growth disorder Diseases 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000009103 reabsorption Effects 0.000 description 1
- 239000010979 ruby Substances 0.000 description 1
- 229910001750 ruby Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Luminescent Compositions (AREA)
Abstract
Zp sob v²roby kompaktn ch slo en²ch monokrystal sest vaj c ch z N monokrystalick²ch st , kde N.>=.2, kter se jemn vybrous a vyleÜt , navz jem se kontaktuj , pot se zah° vaj na teplotu ni Ü ne je nejni Ü bod t n monokrystalick sti ze vÜech pou it²ch monokrystalick²ch st a n sledn se ochlad na pokojovou teplotu, kde povrchy jednotliv²ch monokrystalick²ch st se chemicko-mechanicky vyleÜt na rovinnost odpov daj c minim ln jedn vlnov d lce viditeln ho sv tla suspenz diamantu nebo oxidu hlinit ho, kter je obohacena inidlem obsahuj c m 0,1 a 10 mol. % fosfore nanov²ch nebo k°emi itanov²ch iont vzta eno k celkov mu objemu leÜtic suspenze, n sledn se ist kyselinou vybranou ze skupiny tvo°en kyselinou fosfore nou a kyselinou k°emi itou p°i pokojov teplot po dobu 10 - 30 minut, takto upraven monokrystalick sti se nejd le do 30 minut po skon en iÜt n mechanicky kontaktuj a temperuj se nejd le do 24 hodin po skon en leÜt n , p°i em temperov n prob h v reduk n m prost°ed p°i p°etlaku 100 - 500 kPa postupn²m zah° v n m rychlosti 1 - 50 .degree.C/hodinu z pokojov teploty na teplotu odpov daj c 0,2 - 0,6 n sobku teploty t n t z pou it²ch monokrystalick²ch st , kter m nejni Ü teplotu t n , zah° v n m po dobu 10 - 200 hodin na t to teplot a postupn²m chlazen m na pokojovou teplotu rychlost 1 - 50 .degree.C/hod.\
Description
Dosavadní stav techniky
V současné době se v řadě aplikací používají pevnolátková luminiscenční prostředí a optické elementy, které vyžadují kompaktní uspořádání. Tato kompaktní uspořádání zvyšují odvod tepla z luminiscenčního prostředí, zvyšují stabilitu mechanického uspořádání luminiscenčních sys- io témů, optické prostorové rozlišení detekčních systémů, případně slouží k vytváření pasivních optických elementů.
V laserové technice se stále častěji používá čerpání aktivního prostředí polovodičovými diodami oproti dříve používaným výbojkám. Toto uspořádání je velmi výhodné vzhledem k vysoké účinnosti čerpání, dobré stabilitě a kompaktnosti laserového rezonátoru. Zároveň ovšem klade vysoké nároky na řízení teploty v aktivním prostředí. Teplem indukované změny indexu lomu aktivního prostředí vedou ke vzniku tzv. termické čočky a depolarizačním efektům. Koncepce složeného krystalu umožňuje účinnější chlazení aktivního prostředí a potlačení vlivu termické čočky. Udržení požadované teploty aktivního prostředí je zvláště důležité v případě kvazi-tříhladinového laseru, kde reabsorpční ztráty spodní laserové hladiny rostou s teplotou.
Pro zobrazení ionizujícího záření se využívají různé typy luminiscenčních stínítek na bázi práškových luminoforů, monokrystalických scintilačních destiček a polovodičové detektory. Nevýhodou práškových stínítek je, že se vyznačují nízkou radiační odolností a malou životností. Tloušťka luminiscenčních stínítek z monokrystalů je limitována mechanickou pevností monokrystalů a prakticky lze dosáhnout minimální tloušťky stínítka nalepeného na podložce 30 až 50 25 mikronů. Polovodičové detektory se vyznačují malou radiační odolností a velkou teplotní závislostí. Složené kompaktní monokrystalické scintilátory lze využít zejména ke konstrukci detektorů s velkým plošným rozlišením a vysokou radiační odolností. V tomto případě se k detekci záření používá velmi tenký film scintilačního krystalu, o tloušťce v rozmezí 1 až 15 pm, opticky spojený s nosným monokrystalickým substrátem.
K vytváření složených monokrystalických materiálů může být použito několika známých postupů.
Jedním z nich je Vemeuilova metoda pěstování krystalů rubínu s nedotovanými safírovými koncovkami. Tato bezkelímková metoda je založena na roztavení práškové vstupní suroviny v kyslíko-vodíkovém plameni a růstu krystalu na povrchu chlazeného zárodku. Složení vstupní práš35 kové suroviny lze během růstu krystalu měnit tak, aby bylo dosaženo například odlišné koncentrace chrómu v jednotlivých částech krystalu. Nevýhoda této metody spočívá zejména ve velmi vysokém teplotním gradientu růstu krystalu. Krystaly vypěstované touto metodou obsahují velké množství strukturních defektů a zpravidla vykazují vysoké pnutí. Pro většinu aplikací, kde je požadována vysoká homogenita emitovaného záření, nejsou takto připravené krystaly vyhovující. 40 Tato metoda je navíc omezena na přípravu monokrystalických materiálů, které nepodléhají změnám svého složení v kyslíko-vodíkovém plameni.
Další metodou přípravy složených krystalů je jejich pěstování z taveniny v kelímku. Tato metoda je popsána v patentu DE 199 36 651 Al. Metoda pěstování z taveniny předpokládá:
nasazení orientovaného zárodku do taveniny a tažení krystalu na požadovanou délku za pomalé 45 rotace;
vyzdvižení krystalu z taveniny;
nasazení krystalu s kónickým fázovým rozhraním do taveniny o odlišném složení;
- 1 CZ 292090 B6 krystalizaci;
kontinuální zvyšování rychlosti rotace krystalu v tavenině až k dosažení tzv. Inverzní rychlosti rotace, kdy je fázové rozhraní krystal - tavenina ploché, horizontální; a tažení krystalu s plochým fázovým rozhraním.
Nevýhoda této metody spočívá ve velmi komplikovaných podmínkách dosažení ideálního fázového rozhraní. Navíc je známo, že ploché fázové rozhraní krystal - tavenina vede ke vzniku četných růstových poruch na rozhraní, zejména ke vzniku tzv. mozaiky. Původně vypěstovaný monokrystal je navíc během pěstování druhé části dlouhodobě vystaven gradientu teplot blízkým bodu tání krystalu, což může vést k degradaci jeho luminiscenčních vlastností a vzniku sekundár10 ního pnutí. Vzhledem k výskytu četných poruch na rozhraní je nezbytné provést v případě složeného krystalu, který byl připraven výše uvedenou metodou, výběr bezdefektních a aplikačně použitelných částí krystalu. To celou metodu přípravy složených krystalů pěstováním z taveniny komplikuje a značně prodražuje.
Dalším možným postupem vytváření složených monokrystalů je jejich spojování pomocí optic15 kých tmelů a pájek. Tato metoda je popsána například v patentu US 4 509 175. Ke spojování krystalů YAG je použito například pájky o složení 70 % PbO, 4 % B2O3, 22 % SiO2 a 4 % A12O3. Je nezbytné, aby použitá pájka měla index lomu a tepelnou roztažnost blízkou spojovanému materiálu. Pájka dále nesmí chemicky reagovat se spojovaným materiálem a nesmí být rozpustná ve vodě. Dále nesmí degradovat vlivem procházejícího záření a nesmí toto záření absorbovat. Výše 20 uvedené podmínky nejsou nikdy splněny zcela optimálně, takže na rozhraní pak dochází k reflexi a absorpci procházejícího záření. Takto připravené složené krystaly nejsou použitelné zejména jako aktivní prostředí pevnolátkových laserů o vysokém absorbovaném a emitovaném výkonu, zejména při čerpání polovodičovými lasery.
Další známá metoda přípravy složených krystalů je založena na vytvoření optického kontaktu, 25 který je definován vymizením interferenčních proužků, na rozhraní mezi dvěma leštěnými plochami. Vytvoření tohoto optického kontaktu je podmíněno odstraněním veškerýctf nečistot £ vytěsněním sorbované vody a plynů z rozhraní. Proto může být optický kontakt dosažen pouze mezi plochami o rovinnosti minimálně 1/10 vlnové délky viditelného světla. Opticky kontaktované plochy jsou postupně zahřívány na teplotu pod teplotou tání, přičemž proběhne difúze přes 30 pevné rozhraní, a následně ochlazeny na pokojovou teplotu. Tato metoda je obecně známa a široce používána pro přípravu složených skleněných materiálů. Tento postup je aplikován na přípravu složených monokrystalů např. v patentech US 5 852 622, US 5 441 803, US 5 563 899, US 5 846 638, US 6 025 060, US 6 160 824, US 5 201 977 a Evropském patentu EP 0 416 301 A2.
Výhradně vytváření struktur v safíru výše uvedeným postupem popisuje patent US 5 013 380. 35 Výše uvedené vynálezy podmiňují vytvoření optického kontaktu dosažením vysoké rovinnosti leštěných ploch. V citovaných vynálezech je uvedeno, že difúze přes pevné rozhraní opticky kontaktovaných ploch probíhá za zvýšené teploty bez jakýchkoliv přídavných látek.
Tento postup je modifikován v patentu US 5 548 606 a v autorském osvědčení SU 1 456 292 Al použitím tlaku vedle zvýšené teploty pro usnadnění difúze. V Evropském patentu EP 0 456 060 40 Bl je výše uvedený postup aplikován na spojování anisotropních krystalů.
Postup použitý ve výše uvedených vynálezech (patenty US 5 852 622, US 5 441 803, US 5 563 899, US 5 846 638, US 6 025 060, US 6 160 824, US 5 201 977, US 5 013 380, Evropské patenty EP 0 416 301 A2 a EP 0 456 060 Bl a autorské osvědčení SU 1 456 292 Al) je velmi zdlouhavý, časově i finančně náročný vzhledem k nutnosti dosažení vysoké kvality a přesnosti 45 leštěných povrchů. Dalším omezením je předpoklad vysoké čistoty kontaktovaných povrchů, kterou lze dosáhnout pouze pomocí speciálně čistých chemikálií a při práci ve velmi čistém prostředí.
-2CZ 292090 B6
Podstata vynálezu
Výše uvedené nedostatky odstraňuje způsob výroby kompaktních složených monokrystalů sestávajících z N monokrystalických částí, kde N>2, podle předkládaného vynálezu. Tyto monokrystalické části se jemně vybrousí a vyleští, navzájem se kontaktují, poté se zahřívají na teplotu nižší než je nejnižší bod tání monokiystalické části ze všech použitých monokrystalických částí a následně se ochladí na pokojovou teplotu. Podstatou nového řešení je, že povrchy jednotlivých monokrystalických částí se chemicko-mechanicky vyleští na rovinnost odpovídající jedné vlnové délce viditelného světla suspenzí diamantu nebo oxidu hlinitého, která je obohacena činidlem vybraným ze skupiny tvořené činidlem obsahujícím 0,1 až 10 mol. % fosforečnanových nebo křemičitanových iontů vztaženo k celkovému objemu leštící suspenze. Následně se čistí kyselinou vybranou ze skupiny tvořené kyselinou fosforečnou a kyselinou křemičitou při pokojové teplotě po dobu 10 až 30 minut. Takto upravené monokrystalické části se nejdéle do 30 minut po skončení čištění mechanicky kontaktují a temperují se nejdéle do 24 hodin po skončení leštění. Temperování probíhá v redukčním prostředí při přetlaku 100 až 500 kPa postupným zahříváním i rychlostí 1 až 50 °C/hodinu z pokojové teploty na teplotu odpovídající 0,2 až 0,6 násobku teploty tání té z použitých monokrystalických částí, která má nejnižší teplotou tání, zahříváním po dobu 10 až 200 hodin na této teplotě a postupným chlazením na pokojovou teplotu probíhajícím rychlostí 1 až 50 °C/hod.
Uvedeným způsobem lze realizovat i nové typy kompaktních složených monokrystalů v závislosti na tom, čím jsou tvořeny jednotlivé z N monokrystalických částí.
V jednom provedení je jednou zN monokrystalických částí směsný monokrystal LuxYi.xAG, kde x = 0,0 až 1,0, obsahující aktivní luminiscenční nebo optický iont.
Jinou možností je, že jednou zN monokrystalických částí je směsný monokrystal LuxYi.xAP, kde x = 0,0 až 1,0, obsahující aktivní luminiscenční nebo optický iont.
V dalším možném provedení je alespoň jedna z N monokrystalických částí tvořena monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAG, LuAG a alespoň jedna z N monokrystalických částí je tvořena monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAG dotovaným laserově aktivním iontem, YAG dotovaným laserové záření absorbujícím iontem, LuAG dotovaným laserově aktivním iontem, LuAG dotovaným laserové záření absorbujícím iontem.
V jiném provedení způsobuje alespoň jedna z N monokrystalických částí tvořena monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAP, LuAP a alespoň jedna z N monokrystalických částí je tvořena monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAP dotovaným laserově aktivním iontem, YAP dotovaným laserové záření absorbujícím iontem, LuAP dotovaným laserově aktivním iontem, LuAP dotovaným laserové záření absorbujícím iontem.
Uvedeným způsobem lze také vyrobit kompaktní složený monokrystal určený pro použití v scintilačních detektorech, kde monokrystalické části jsou tvořeny monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAG, LuAG a monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAG, LuAG dotovanými luminiscenčně aktivními ionty.
Jiným typem kompaktního složeného monokrystalu určeného pro použití v scintilačních detektorech je monokrystal připravený uvedeným způsobem, kdy monokrystalické části jsou tvořeny monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAP, LuAP a monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAP, LuAP dotovanými luminiscenčně aktivními ionty.
Předložený vynález tedy popisuje postup přípravy kompaktních složených monokrystalických aluminátů sestávajících přinejmenším ze dvou částí. Tyto části mohou sestávat ze strukturně odlišných krystalů, mohou se lišit typem dopantu nebo jeho koncentrací, luminiscenčními vlastnostmi, popřípadě dalšími fyzikálními parametry.
Uvedený postup umožňuje vytvoření pevného spoje mezi krystalickými materiály a to bez přítomnosti cizorodých částic na jejich rozhraní, které by způsobovaly rozptyl záření procházejícího
-3CZ 292090 B6 přes rozhraní. Velkou výhodou je, že povrchy jednotlivých monokrystalických částí se mohou vyleštit pouze na rovinnost odpovídající jedné vlnové délce viditelného světla.
Přehled obrázků na výkresech
Na obr. 1 je schematicky znázorněna laserová tyč Nd:YAG(l) se dvěma nedotovanými koncov5 kami YAG(2).
Obr. 2 znázorňuje schematicky laserovou tyč Nd:YAP(3) v krystalografické orientaci „b“, s jednou nedotovanou koncovkou YAP(4).
Na obr. 3 je schematicky naznačena laserová tyč Nd:YAP(5) v krystalografické orientaci „a“ se dvěma nedotovanými koncovkami YAP(6).
Na obr. 4 je uveden laserový krystal sestávající z aktivního prostředí Nd:YAG(l) a saturovatelného absorbéru V3+:YAG(7).
Na obr. 5 je uveden scintilační detektor z monokrystalického filmu YAG:Ce(8) a substrátu nedotovaného monokrystalu YAG(9).
Na obr. 6 je schematicky znázorněna laserová tyč ErLuo/Yo^AGflO) se dvěma koncovkami 15 nedotovaného YAG(2).
Na obr. 7 je uveden scintilační detektor z monokrystalického filmu Luo,3Yo,7AP:Ce(l 1) a substrátu nedotovaného monokrystalu YAP(12).
Příklady provedení vynálezu
Při provádění způsobu výroby kompaktních složených monokrystalů sestávajících alespoň ze 20 dvou monokrystalických částí podle předkládaného vynálezu se v prvém kroku provádí leštění povrchu krystalu suspenzí diamantu nebo oxidu hlinitého v prostředí fosforečnanových, respektive křemičitanových iontů. Koncentrace uvedených iontů se přitom typicky pohybuje v rozmezí 0,1 až 10 mol. % celkového obsahu leštící suspenze podle povahy materiálu a leštící suspenze. Dosažená rovinnost leštěných povrchů musí být taková, aby zajišťovala mechanický kontakt po 25 celé ploše, minimálně jedna vlnová délka viditelného světla. Leštěné povrchy jsou poté čištěny v kyselině fosforečné, respektive kyselině křemičité, při pokojové teplotě v ultrazvukové vaně po dobu 10 až 30 minut.
Dále následuje mechanické kontaktování povrchů, které musí být provedeno ihned, nejdéle však do 30 minut, po jejich naleštění a vyčištění. Po uplynutí této doby dochází k poklesu aktivity 30 povrchové vrstvy.
V dalším kroku následuje postupné zahřívání kontaktovaných ploch v redukčním prostředí rychlostí 1 až 50 °C/hod z pokojové teploty na teplotu odpovídající 0,2 až 0,6 násobku teploty tání té z použitých monokrystalických částí, která má nejnižší teplotu tání. Typicky používané teploty se podle povahy materiálu pohybují v rozmezí 400 až 1250 °C. Fosforečnanové, respektive křemi35 čitanové ionty působí jako katalyzátor transportu vakancí a iontů přes pevné rozhraní a současně za zvýšené teploty dochází jejich účinkem k chemickému leptání povrchů a přechodnému vytvoření polykrystatické vrstvy na rozhraní obsahující tyto ionty a A^O. Doba temperace se pohybuje v rozmezí 10 až 200 hodin a je například 10 hodin při teplotě 1250 °C a 140 hodin při teplotě 400 °C. Tato temperace musí následovat nejdéle do 24 hodin po skončení leštění, opět z důvodu 40 zachování aktivity povrchů.
Při temperaci v redukčním prostředí dochází k reakci mezi vodíkem obsaženým v ochranné atmosféře a fosforečnanovými, resp. křemičitanovými ionty za vzniku PH3, resp. S1H4, přičemž reakční produkty odcházejí z rozhraní do plynné fáze. Zpravidla se používá ochranná atmosféra velmi čistého vodíku (99,998 %) a to za mírného přetlaku 100 až 500 kPa. Požadovaná délka 45 temperace musí být taková, aby umožňovala transport reakčních produktů z celé plochy rozhraní.
Je zřejmé, že doba temperace roste s rostoucím průměrem spojovaných ploch. Požadované doby
-4CZ 292090 B6 temperace v závislosti na průměru spojovaných ploch byly stanoveny experimentálně, například hodin pro YAG o průměru 12 mm při teplotě 750 °C.
Po odstranění fosforečnanových, resp. křemičitanových iontů z rozhraní jsou spojené monokrystalické části postupně chlazeny rychlostí 1 až 50 °C/hod. Takto zvolená rychlost nezpůsobuje vznik takového tepelného gradientu, který by vedl k poškození složeného krystalu a umožňuje přechod metastabilního A12O z rozhraní na A12O3.
Dále jsou uvedeny některé příklady využití vynálezu.
Příklad 1
Na obr. 1 je schematicky znázorněna laserová tyč, tvořená střední částí z monokrystalu Nd:YAG označenou vztahovou značkou 1, se dvěma nedotovanými koncovkami 2 z monokrystalu YAG. ·
Pro přípravu této složené laserové tyče byly použity monokrystalické desky Nd:YAG a YAG o průměru 12 mm. Jejich povrch byl vyleštěn ve vodné suspenzi A12O3 s přídavkem H3PO4 i (0,2 mol/1). Po očištění v kyselině fosforečné byly plochy mechanicky kontaktovány a postupně zahřívány rychlostí 1,2 °C/min na teplotu 750 °C. Při této teplotě byly temperovány v atmosféře vodíku o čistotě 99,998 % po dobu 45 hodin a následně ochlazeny na pokojovou teplotu rychlostí 1,5 °C/min. Laserová tyč byla následně vyvrtána diamantovým vrtákem s vnitřním chlazením. Vnější čela byla pokryta antireflexními vrstvami. Při použití takto připraveného krystalu v kontinuálním laserovém režimu bylo dosaženo dvojnásobného výkonu laseru oproti krystalu bez koncovek. Technologický čas přípravy leštěných desek Nd:YAG a YAG činil pouze 20 % technologického času potřebného k leštění desek při použití metody difuzního spojování opticky kontaktovaných ploch.
Příklad 2
Tento příklad je uveden na obr. 2. Jedná se o laserovou tyč vytvořenou ze střední části označené vztahovou značkou 3 z monokrystalu Nd:YAP v krystalografické orientaci „b“, s jednou nedotovanou koncovkou 4 z monokrystalu YAP.
Toto uspořádání je určeno pro emisi laserového záření na vlnové délce 1079, 1340 a 1440 nm.
Pro přípravu této složené laserové tyče byly použity monokrystalické desky Nd:YAP a YAP 10 x 11 mm se shodnou krystalografickou orientací. Jejich povrch byl vyleštěn ve vodné suspenzi diamantu s přídavkem H3PO4 (0,8 mol/1). Po očištění v kyselině fosforečné byly plochy mechanicky kontaktovány a postupně zahřívány rychlostí 0,8 °C/min na teplotu 960 °C. Při této teplotě byly temperovány po dobu 45 hodin v redukční atmosféře H2 a následně ochlazeny na pokojovou teplotu rychlostí 1 °C/min. Laserová tyč byla vyvrtána diamantovým vrtákem s vnitřním chlazením. Vnější čela byla pokryta antireflexními vrstvami. Při použití takto připraveného krystalu v kontinuálním laserovém režimu bylo dosaženo snížení efektu termické čočky až o 40 % oproti krystalu bez koncovek. Navíc byly během přípravy výše uvedeným postupem zachovány luminiscenční vlastnosti krystalu, nebyl pozorován vznik barevných center, dislokací nebo inkluzí granátové fáze. Tyto defekty vznikají v kompozitních krystalech Nd:YAP připravených metodou pěstování z taveniny, kdy je Nd:YAP dlouhodobě vystaven teplotám blízkým jeho teplotě tání.
Příklad 3
Na obr. 3 je schematicky naznačena laserová tyč, jejíž střední část, označená vztahovou značkou 5, je vytvořená z monokrystalu Nd:YAP v krystalografické orientaci „a“ se dvěma nedotovanými koncovkami 6 z monokrystalu YAP.
Toto uspořádání je určeno pro emisi laserového záření na vlnové délce 930 nm.
Pro přípravu této složené laserové tyče byly použity monokrystalické desky Nd:YAP a YAP 12x10 mm se shodnou krystalografickou orientací. Jejich povrch byl vyleštěn ve vodné suspenzi diamantu s přídavkem H3PO4 (1,5 mol/1). Po očištění v kyselině fosforečné byly plochy
-5CZ 292090 B6 mechanicky kontaktovány a postupně zahřívány rychlostí 0,5 °C/min na teplotu 750 °C. Při této teplotě byly temperovány po dobu 55 hodin a následně ochlazeny na pokojovou teplotu rychlostí °C/min. Laserová tyč byla vyvrtána diamantovým vrtákem s vnitřním chlazením. Vnější čela byla pokryta antireflexními vrstvami.
Nedotované koncovky zvětšují chlazenou plochu laserové tyče a usnadňují dosažení požadované teploty aktivního prostředí kvazi-tříhladinového laseru, což snižuje ztráty spodní laserové hladiny. Při použití takto připraveného krystalu v kontinuálním laserovém režimu bylo dosaženo zvýšení výkonu laseru oproti krystalu bez koncovek o 40 %. Vzhledem k přechodnému vytvoření polykrystalické vrstvy na rozhraní spojovaných ploch, umožňuje tato metoda pracovat s tolerancí 10 azimutální krystalografické orientace spojovaných ploch až +/-3°, tedy minimálně třikrát vyšší než při použití metody difuzního spojování opticky kontaktovaných ploch.
Příklad 4 • Na obr. 4 je uveden laserový krystal sestávající z aktivního prostředí 1 tvořeného monokrystalem Nd:YAG a saturovatelného absorbéru 7 vytvořeného z monokrystalu V3+:YAG.
Pro přípravu této složené laserové tyče byly použity monokrystalické desky Nd:YAG a V3+:YAG o průměru 10 mm. Jejich povrch byl vyleštěn ve vodné suspenzi A12O3 s přídavkem kyseliny H2SiO3 Po očištění v kyselině křemičité byly plochy mechanicky kontaktovány a postupně zahřívány rychlostí l,2°C/min na teplotu 750 °C. Při této teplotě byly temperovány v redukční atmosféře po dobu 65 hodin a následně ochlazeny na pokojovou teplotu rychlostí 1,5 °C/min.
Laserová tyč byla vyvrtána diamantovým vrtákem s vnitřním chlazením. Vnější čela byla pokryta antireflexními vrstvami.
Výše uvedeným postupem byl připraven kompaktní krystal obsahující Nd:YAG a pasivní saturovatelný absorbér V3+:YAG, který umožňoval generaci nanosekundových pulzů na vlnové délce 1064 nm. Kompaktní krystal umožnil oproti konvenčnímu uspořádání přesnější nastavení lasero25 vého rezonátoru a tím i zvýšení výkonu v základním příčném modu o 30 %.
Příklad 5
Tento příklad, uvedený na obr. 5, popisuje scintilační detektor z monokrystalického filmu 8 vytvořeného z YAG:Ce a substrátu 9 nedotovaného monokrystalu YAG.
Pro přípravu tohoto složeného detektoru byly použity monokrystalické desky YAG:Ce a YAG o 30 průměru 20 mm. Jejich povrch byl vyleštěn ve vodné suspenzi A12O3 s přídavkem H3PO4. Po očištění v kyselině fosforečné byly plochy mechanicky kontaktovány a postupně zahřívány rychlostí 1,2 °C/min na teplotu 900 °C. Při této teplotě byly temperovány po dobu 65 hodin a následně ochlazeny na pokojovou teplotu rychlostí 1,5 °C/min. Následně byla Ce3+ dotovaná část složeného krystalu odbroušena na finální tloušťku 10 pm. Takto připravený scintilační film vy35 kazoval plošné rozlišení lepší než 10 mikronů.
Příklad 6
Na obr. 6 je schematicky znázorněna laserová tyč vytvořená ze střední části 10 z monokrystalu Er.Luo_6Y0.4AG se dvěma koncovkami 2 nedotovaného monokrystalu YAG.
* ' Pro přípravu této složené laserové tyče byly použity monokrystalické desky EnLuo.eYo.íAG a
YAG o průměru 10 mm. Jejich povrch byl vyleštěn ve vodné suspenzi A12O3 s přídavkem H3PO4 (0,2 mol/1). Po očištění v kyselině fosforečné byly plochy mechanicky kontaktovány a postupně zahřívány rychlostí 1,2 °C/min na teplotu 850 °C. Při této teplotě byly temperovány v atmosféře vodíku o čistotě 99,998 % po dobu 45 hodin a následně ochlazeny na pokojovou teplotu rychlostí 1,5 °C/min. Laserová tyč byla následně vyvrtána diamantovým vrtákem s vnitřním chlazením.
Vnější čela byla pokryta antireflexními vrstvami. Výše uvedeným postupem byl připraven kompaktní krystal, který umožňoval generaci laserového záření ve vlnové oblasti 2,9 pm v kontinuál
-6CZ 292090 B6 ním režimu. Oproti krystalu bez nedotovaných koncovek bylo dosaženo zvýšení výstupní energie v základním příčném modu o 20 %.
Příklad 7
Tento příklad, uvedený na obr. 7, popisuje scintilační detektor z monokrystalického filmu 11 vytvořeného z Luoi3Yo,7AP:Ce a substrátu 12 nedotovaného monokrystalu YAP.
Pro přípravu tohoto složeného detektoru byly použity monokrystalické desky Luoi3Yo,7AP:Ce a YAP o průměru 20 mm. Jejich povrch byl vyleštěn ve vodné suspenzi A12O3 s přídavkem H3PO4. Po očištění v kyselině fosforečné byly plochy mechanicky kontaktovány a postupně zahřívány rychlostí 1,2 °C/min na teplotu 900 °C. Při této teplotě byly temperovány po dobu 70 hodin a následně ochlazeny na pokojovou teplotu rychlostí 1,5 °C/min. Následně byla Ce3+ dotovaná část složeného krystalu odbroušena na finální tloušťku 10 pm. Takto připravený scintilační film byl » použit pro detekci vysokoenergetických elektronů s plošným rozlišením lepším než 10 pm.
Průmyslová využitelnost
Vynález lze využit k přípravě monokrystalických luminiscenčních a optických elementů.
PATENTOVÉ NÁROKY
Claims (7)
1. Způsob výroby kompaktních složených monokrystalů sestávajících z N monokrystalických částí, kde N>2, které se jemně vybrousí a vyleští, navzájem se kontaktují, poté se zahřívají na teplotu nižší než je nejnižší bod tání monokrystalické části ze všech použitých monokrystalických částí a následně se ochladí na pokojovou teplotu, vyznačující se tím, že povrchy jednotlivých monokrystalických částí se chemicko-mechanicky vyleští na rovinnost odpovídající minimálně jedné vlnové délce viditelného světla suspenzí diamantu nebo oxidu hlinitého, která je obohacena činidlem obsahujícím 0,1 až 10 mol.% fosforečnanových nebo křemičitanových iontů, vztaženo k celkovému objemu leštící suspenze, následně se čistí kyselinou vybranou ze skupiny tvořené kyselinou fosforečnou a kyselinou křemičitou při pokojové teplotě po dobu 10 až 30 minut, takto upravené monokrystalické části se nejdéle do 30 minut po skončení čištění mechanicky kontaktují a temperují se nejdéle do 24 hodin po skončení leštění, přičemž temperování probíhá v redukčním prostředí při přetlaku 100 až 500 kPa postupným zahříváním rychlostí 1 až 50 °C/hodinu z pokojové teploty na teplotu odpovídající 0,2 až 0,6 násobku teploty tání té z použitých monokrystalických částí, která má nejnižší teplotu tání, zahříváním po dobu 10 až 200 hodin na této teplotě a postupným chlazením na pokojovou teplotu probíhajícím rychlostí 1 až 50 °C/hod.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že jednou z N monokrystalických částí je směsný monokrystal LuxY^AG, kde x - 0,0 až 1,0, obsahující aktivní luminiscenční nebo optický iont.
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že jednou z N monokrystalických částí je směsný monokrystal LuxYi.xAP, kde x = 0,0 až 1,0, obsahující aktivní luminiscenční nebo optický iont.
4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna z N monokrystalických částí je tvořena monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAG, LuAG a alespoň jedna z N monokrystalických částí je tvořena monokiystaly vybranými ze skupiny tvořené YAG dotovaným laserově aktivním iontem, YAG dotovaným laserové záření absorbujícím iontem, LuAG dotovaným laserově aktivním iontem, LuAG dotovaným laserové záření absorbujícím iontem.
5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna z N monokrystalických částí je tvořena monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAP, LuAP a alespoň jedna z N monokrystalických částí je tvořena monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAP dotovaným laserově aktivním iontem, YAP dotovaným laserové záření absorbujícím iontem, LuAP
5 dotovaným laserově aktivním iontem, LuAP dotovaným laserové záření absorbujícím iontem.
6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že monokrystal ické části pro scintilační detektory jsou tvořeny monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAG, LuAG a monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAG, LuAG dotovanými luminiscenčně aktivními ionty.
7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že monokrystal ické části pro scinti10 lační detektory jsou tvořeny monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAP, LuAP a monokrystaly vybranými ze skupiny tvořené YAP, LuAP dotovanými luminiscenčně aktivními ionty.
3 výkresy
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2002932A CZ292090B6 (cs) | 2002-03-14 | 2002-03-14 | Způsob výroby kompaktních složených monokrystalů |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2002932A CZ292090B6 (cs) | 2002-03-14 | 2002-03-14 | Způsob výroby kompaktních složených monokrystalů |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ292090B6 true CZ292090B6 (cs) | 2003-07-16 |
Family
ID=5473658
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2002932A CZ292090B6 (cs) | 2002-03-14 | 2002-03-14 | Způsob výroby kompaktních složených monokrystalů |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ292090B6 (cs) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ305614B6 (cs) * | 2014-11-07 | 2016-01-06 | Crytur, Spol.S R.O. | Způsob úpravy povrchu monokrystalického scintilátoru a monokrystalický scintilátor s povrchem upraveným podle tohoto způsobu |
-
2002
- 2002-03-14 CZ CZ2002932A patent/CZ292090B6/cs unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ305614B6 (cs) * | 2014-11-07 | 2016-01-06 | Crytur, Spol.S R.O. | Způsob úpravy povrchu monokrystalického scintilátoru a monokrystalický scintilátor s povrchem upraveným podle tohoto způsobu |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5852622A (en) | Solid state lasers with composite crystal or glass components | |
| US10274673B2 (en) | Method and apparatus for producing crystalline cladding and crystalline core optical fibers | |
| US6023479A (en) | Solid microlaser passively switched by a saturable absorber and its production process | |
| US10156025B2 (en) | Monolithic heterogeneous single crystals with multiple regimes for solid state laser applications | |
| US9469915B2 (en) | Hydrothermal growth of heterogeneous single crystals exhibiting amplified spontaneous emission suppression | |
| US9014228B1 (en) | Hydrothermal growth of heterogeneous single crystals for solid state laser applications | |
| CZ304579B6 (cs) | Dioda emitující bílé světlo s monokrystalickým luminoforem a způsob výroby | |
| EP1713149B1 (en) | Glaze soldered laser components and method of manufacturing | |
| US6014393A (en) | Laser materials and microlasers having high active ion concentrations, and production processes | |
| EP1834387B1 (en) | Glaze cladding for laser components | |
| JP3699629B2 (ja) | 磁性ガーネット材料及びそれを用いた磁気光学素子 | |
| JP2007256616A (ja) | 高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータ | |
| US6973115B1 (en) | Passive Q-switched microlaser with controlled polarization | |
| CZ292090B6 (cs) | Způsob výroby kompaktních složených monokrystalů | |
| EP3553212B1 (en) | Method of manufacturing a garnet type crystal | |
| US6411641B1 (en) | Faraday rotator for use with high energy lasers | |
| USRE38489E1 (en) | Solid microlaser passively switched by a saturable absorber and its production process | |
| US5384801A (en) | Power lasers with semiconductor filter | |
| US5146361A (en) | Apparatus comprising a magneto-optic isolator utilizing a garnet layer | |
| CN1243135C (zh) | 掺钛蓝宝石和蓝宝石复合激光晶体的生长方法 | |
| EP0408250B1 (en) | Apparatus comprising a magneto-optic isolator utilizing a garnet layer | |
| EP1041179B1 (en) | Single-crystal optical element having flat light-transmitting end surface inclined relative to cleavage plane | |
| US20060109880A1 (en) | Wafer laser crystal | |
| USH557H (en) | Epitaxial strengthening of crystals | |
| JP2007507084A (ja) | 固体レーザー媒質 |