Przedmiotem wynalazku jest material czynny do wytwarzania pretów laserowych, w któ¬ rym osnowa jest monokrysztal galanów lub glinianów ziem alkalicznych i lantanu lub itru z tetragonalna struktura gelenitu, a domieszka czynna jest pierwiastek z grupy lantanow- ców, a w szczególnosci neodym. Znane sa materialy czynne, w których osnowa dla czynnej domieszki z grupy lantanowców sa rózne ciala stale, o odpowiednich wlasciwosciach struk¬ turalnych, spektralnych i termicznych. Do najbardziej znanych materialów naleza: mono¬ krysztaly granatu itrowo-glinowego (Y^Alj-O^pt YAG), perowskitu itrowo-glinowego (YA10^, YAP), fluorytu (CaF2), molibdenianu wapnia (CaMoO^) - /"Walter Koechner, Solid State Laser Engineering, Springer Verlag, New York 1976J i nieorganiczne szkla tlenkowe /w.B.Krawczenko, Ju.P. Rudnicki, Kwantowaja Elektronika, vol.6, str. 661-689 (1979)J .Najbardziej rozpowszechniony jest natomiast granat itrowo-glinowy z domieszka neodymu (YAG: m) [z.J. Kiss, R.J. Tessley, Appl. Optic, vol.5, str 1474-1486/1966^J fk A.Kaminski, Laziernyje kristaly, Izdatielstwo Nauka, Moskwa (1975) z powodu korzystnej kombinacji cech.Pret laserowy wykonany z tego materialu emituje niespolaryzowane promieniowanie elektromagnetyczne o znikomej szerokosci spektralnej. Krysztaly YAG maja strukture re¬ gularna, sa w zwiazku z tym optycznie izotopowe i dlatego prety laserowe wykonane z tego materialu emituja swiatlo niespolaryzowane. Emisje swiatla spolaryzowanego mozna osiagnac przez zastosowanie specjalnych rozwiazan konstrukcyjnych, np. przez ustawie¬ nie plaszczyzn czolowych preta laserowego pod katem Brewstera, lub przez zastosowanie dodatkowych urzadzen optycznych (polaryzatorów). Ten material laserowy charakteryzuje sie wysokim wspólczynnikiem wzmocnienia, nadaje sie on szczególnie do pracy w rezimie 148 6222 148 622 generatora i dlatego stosowany jest wylacznie jako generator. Realna struktura mono¬ krysztalów przeznaczonych do wytwarzania pretów laserowych musi byc prawie doskonala, poniewaz wszelkie niejednorodnosci optyczne powoduja uginanie i rozpraszanie promie¬ nia laserowego i przez to redukuja intensywnosc i koherentnosc emitowanego promienio¬ wania. Do defektów struktury, które niekorzystnie wplywaja na wydajnosc akcji lasero¬ wej naleza zblizniaczenia, niejednorodnosci skladu chemicznego, dyslokacje, wrostki, pecherze itp.Z powodu malej rozpuszczalnosci neodymu w YAG i malej wartosci wspólczynnika segregacji neodymu, wytwarzanie monokrysztalów YAG domieszkowanych neodymem wolnych od defektów optycznych, z równomiernie rozlozona domieszka, szczególnie przy wysokim poziomie domieszkowania, jest procesem trudnym i czasochlonnym. Podstawienie jonów Y* jonami Nd' jest nieizomorficzne, poniewaz izomorficzny do YAG zwiazek o skladzie Nd,Alc012 ze struktura granatu nie istnieje. Tlenki NdpO_ i Al^CL tworza tylko zwiazek o skladzie NdAlO,, który ma strukture perowskitu. Fróby wprowadzenia do krysztalu grana¬ tu duzej ilosci neodymu prowadza do pojawienia sie defektów sieci krystalicznej lub w skrajnym wypadku, do pojawienia sie wrostków obcej fazy stalej. Wytwarzanie mono¬ krysztalów o wysokiej jakosci optycznej zaczyna byc trudne juz przy zawartosci neody¬ mu powyzej ^% atomowego. Celem otrzymania monokrysztalu z równomiernie rozlozona do¬ mieszka neodymu trzeba stosowac male szybkosci wyciagania (ok. 1 ma h" ) co znacznie wydluza proces wytwarzania.Material wedlug wynalazku jest materialem czynnym z czynna domieszka jonów z grupy lantanowców i sluzy do wytwarzania pretów laserowych. Material ten jako osnowe dla czynnych jonów zawiera monokrysztal galanów lub glinianów ziem alkalicznych i lantanu lub itru, których sklad Jest wyrazony za pomoca wzoru ogólnego ABC,07, w któ¬ rym A oznacza bar, stront, wapn lub ich mieszanine, B oznacza lantan, itr lub ich mieszanine, a C oznacza gal, glin lub ich mieszanine. Jako domieszke czynna material ten zawiera pierwiastek lub mieszanine pierwiastków z grupy lantanowców, a zwlaszcza prazeodym, neodym, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul i iterb w ilosci od 0,02 do 8 ^ % atomowych. W zaleznosci od rodzaju skladników i warunków wyt¬ warzania materialu wedlug wynalazku, jego sklad chemiczny moze wykazywac nieznaczne odstepstwo od stechiometrii i byc wyrazony wzorem A1a R. C __.__0„ n _ gdzie xi y moga przyjmowac wartosci dodatnie lub ujemne w przedziale od 0 do 0,12.Specjalnie zalecane Jako czynny material na prety laserowe sa monokrysztaly gelenitu barowo-lantanowo-galowego o skladzie BaLaGa,0_ zawierajace neodym jako domiesz¬ ke czynna (BLG0:Nd). Zalety tego materialu mozna pokazac przez porównanie z YAG:Nd.Do osnowy krystalicznej mozna wprowadzic domieszke w ilosci znacznie wyzszej niz jest to mozliwe w przypadku YAG:Nd nie pogarszajac jakosci optycznej monokrysztalu BLG0:Nd.Wspólczynnik segregacji neodymu w BLGO ma wartosc bardzo zblizona do 1 i dzieki temu domieszka rozlozona Jest w osnowie bardzo równomiernie co jest trudne do osiagniecia w przypadku YAGrNd. Szybkosc wyciagania monokrysztalów BLG0:Nd (~4 mm ta ) Jest znacznie wyzsza od szybkosci wyciagania monokrysztalów YAG:Nd (*/1 mm ta ).Temperatura topnienia BLGO (1560°C) jest znacznie nizsza od temperatury topnie¬ nia YAG (1930°C). Dzieki temu i dzieki duzej szybkosci wyciagania zuzycie tygla irydo- wego w trakcie procesu wyciagania monokrysztalu jest mniejsze. Krysztal BLGO:Nd jest optycznie jednoosiowy. Dzieki temu mozna z niego wytwarzac prety laserowe z zadanym wspólczynnikiem wzmocnienia (w zaleznosci od kata pomiedzy osia geometryczna preta laserowego a osia optyczna materialu czynnego), mogace pracowac w rezimie generatora lub wzmacniacza swiatla i emitujace swiatlo calkowicie spolaryzowane liniowo. Nie moz¬ na tego osiagnac w przypadku izotropowego YAG:Nd.148 622 3 Twardosc krysztalów BLGO jest nieco mniejsza niz krysztalów YAG co ulatwia ich obróbke mechaniczna (ciecie, szlifowanie, polerowanie). Krysztaly BLGO maja strukture gelenitu, która nie posiada srodka symetrii. W zwiazku z tym monokrysztaly BLGO maja wlasciwosci piezoelektryczne. Wlasciwosci te moga byc wykorzystane przy projektowaniu ukladu do dostrajania rezonatora laserowego. Material wedlug wynalazku zostanie blizej objasnio¬ ny na przykladzie materialu czynnego BaLaGa,0„ (BLGO). Domieszkowane monokrysztaly gelenitów mozna wytwarzac przez krystalizacje z roztopu jedna ze znanych metod Czoch- ralskiego, Bridgmanna lub topienia strefowego. Najkorzystniejszym sposobem wytwarza¬ nia monokrysztalów gelenitów galowych lub glinowych ziem alkalicznych i lantanu lub itru z domieszkami innych lantanowców jest sposób wyciagania monokrysztalu z roztopu metoda Czochralskiego.Stosownie do tej metody roztop otrzymuje sie przez stopienie w tyglu irydowym mieszaniny bardzo czystych, sproszkowanych tlenków metali wchodzacych w sklad wyciaga¬ nego monokrysztalu. Sklad roztopu jest w zasadzie taki sam jak sklad wyciaganego mono¬ krysztalu. Dopuszczalne sa niewielkie odstepstwa w granicach 1% atomowego. Zamiast tlenków mozna stosowac weglany tychze metali, które w trakcie ogrzewania rozkladaja sie przechodzac w odpowiednie tlenki,a nastepnie topia sie. W przypadku stosowania weg¬ lanów trzeba ograniczyc szybkosc podnoszenia temperatury, aby umozliwic ich rozklad termiczny. Nastepnie do roztopu, którego temperatura Jest nieznacznie wyzsza od tempe¬ ratury topnienia wyciaganego materialu, zanurzany jest zorientowany monokrystaliczny zarodek o malej srednicy, który nastepnie jest podnoszony do góry i jednoczesnie obra¬ cany wokól osi pionowej. Na wyciaganym zarodku narasta monokrysztal o orientacji odpo¬ wiadajacej orientacji krystalograficznej zarodka. Srednica wyciaganego monokrysztalu jest regulowana (sterowana) przez zmiane temperatury roztopu. Przez powolne obnizanie temperatury roztopu srednica wyciaganego monokrysztalu jest powiekszana az do osiag¬ niecia wymaganego rozmiaru. Po zakonczeniu procesu wyciagania monokrysztal jest odry¬ wany od roztopu przez szybkie podniesienie do góry, a nastepnie powoli studzony do temperatury pokojowej.Krysztaly wytwarzane przez krystalizacje z roztopu metoda Czochralskiego maja sklad chemiczny nieco odmienny od skladu stechiometrycznego. Ich sklad rzeczywisty moze byc wyrazony za pomoca wzoru ogólnego Ai+xBi_vC3_x+v°7_0 5X» x i y moga miec wartosci dodatnie i ujemne. Zaleza one od rodzaju skladników monokrysztalu oraz orientacji krystalograficznej granicy fazowej pomiedzy rosnacym krysztalem i roztopem, a takze skladu poczatkowego roztopu. Odchylki w skladzie sa stosunkowo niewielkie i mieszcza sie w granicach jednego procenta atomowego.Material wyjsciowy skladajacy sie z 32,30 czesci wagowych BaCO,, 22,94 La20^, 0,57 Nc*205 i 44,19 G^O, w postaci dokladnie wymieszanych proszków umieszczony Jest w tyglu irydowym, który nastepnie powoli jest ogrzewany za pomoca pradów indukcyjnych w.cz# w urzadzeniu do wyciagania monokrysztalów metoda Czochralskiego. Material ogrze¬ wany jest w atmosferze azotu do temperatury nieco wyzszej od temperatury topnienia BLGO tj. 1560°C. Monokrystaliczny zorientowany zarodek przymocowany do rurki z Al-O, opuszczany jest z góry az do zetkniecia z powierzchnia roztopu,a nastepnie jest podnoszony do góry z szybkoscia 4 mm h" i równoczesnie obracany wokól osi pionowej.Srednica krysztalu jest powiekszana przez obnizanie temperatury roztopu* az do osiag¬ niecia wymaganego rozmiaru. Nastepnie stala srednica wyciaganego krysztalu utrzymywa¬ na jest automatycznie przez kontrole masy wyciaganego krysztalu. Predkosc obrotowa zarodka zalezna jest od srednicy wyciaganego krysztalu. W przypadku krysztalu o sred¬ nicy 20 mm wyciaganego z tygla o srednicy 4o mm szybkosc obrotowa zarodka wynosi 65-70 obrotów min . Fb zakonczeniu procesu wyciagania monokrysztal Jest odrywany od powie-k 148 622 rzchni roztopu, a nastepnie powoli studzony do temperatury pokojowej. Sklad chemiczny otrzymanego krysztalu zalezy od krystalograficznego kierunku wzrostu i od poczatkowego skladu roztopu. Krysztal rosnacy na plaszczyznie (001 ) ma sklad, który w przyblizeniu wyraza nastepujacy wzór Ba^ 05^0,903^0,022^3,025°6,975* Badania otrzymanego kryszta¬ lu pokazaly, ze w czesci cylindrycznej krysztal jest wolny od wrostków irydu i innych faz stalych i nie zawiera defektów obnizajacych Jego jakosc optyczna, takich Jak pekniecia, pecherzyki itp.Zastrzezenia patentowe 1. Material czynny do wytwarzania pretów laserowych z czynna domieszka jonów z grupy lantanowców, znamienny tym, ze jako osnowe dla czynnych jonów zawie¬ ra monokrysztal galanów lub glinianów ziem alkalicznych i lantanu lub itru, których sklad jest wyrazony za pomoca wzoru ogólnego ABC,07, w którym A oznacza bar, stront, wapn lub ich mieszanine, B oznacza lantan, itr lub ich mieszanine a C-gal, glin lub ich mieszanine, a jako domieszke czynna zawiera pierwiastek lub mieszanine pierwiastków z grupy lantanowców, a zwlaszcza prazeodym, neodym, samar, europ, gadolin, terb, dys- proz, holm, erb, tul i iterb w ilosci od 0,02 do 8 <* % atomowych. 2. Material czynny wedlug zastrz.1f znamienny tym, ze zawiera mono¬ krysztal galanów lub glinianów ziem alkalicznych o skladzie chemicznym wyrazonym wzorem Ai+xBi_yC3_x+y07_o 5xf w którym x * y przyjmuja wartosci dodatnie lub ujemne w przedziale od 0 do 0,12.Pracownia Poligraficzna UP RP.Naklad 100 egz.Cena 1500 zl PL PL