PROTI minulé roky yttrium-aluminium garnet (YAG) je neustálým zájmem výzkumníků po celém světě, protože jde o jeden z nejslibnějších materiálů pro kvantovou elektroniku a další obory. moderní technologie... Fyzikální a mechanické vlastnosti YAG umožňují jeho použití jako suroviny pro šperkařský průmysl.
Granátová jablka lze pěstovat různými způsoby. V SSSR je výroba YAG pro šperkařský průmysl založena na použití metody horizontální směrové krystalizace. Jako výchozí složky pro syntézu YAG reakcí
3Y 2 O 3 + 5 Al 2 O 3 → 2Y 3 Al 5 O 12
Používá se oxid yttritý "KhCh" a korundová keramika. Fúze náboje a krystalizace probíhá ve vakuu v aparatuře "Sapphire-1m" nebo SGVK. Vakuová technologie, která je vhodná zejména pro pěstování bezbarvých krystalů, umožňuje také získat krystaly YAG růžové, lila a zelené barvy, barvené oxidy erbia, neodymu, chrómu a vanadu. Zároveň se vlivem intenzivního odpařování barvících přísad do náplně vnáší množství chromoforu, které je dvakrát až třikrát vyšší než jeho obsah v krystalu.
Použitá technologie má řadu podstatných nevýhod. Při krystalizaci ve vakuu je během celého procesu čerpáno přes vyhřívanou komoru malé, ale konečné množství vzduchu. Kyslík ve vzduchu oxiduje wolframový ohřívač a molybdenové tepelné štíty, což výrazně zkracuje jejich životnost. Kromě toho oxidový film snižuje odrazivost obrazovek a vede ke zvýšení spotřeby energie. V důsledku chemických reakcí mezi oxidy vanadu a molybdenu na jedné straně a vykrystalizovaným materiálem na straně druhé je rostoucí krystal potažen kovovým povlakem. Stejně tak je nerozumné používat jako vsázkovou složku dosti drahou (30 - 35 rublů za 1 kg) korundovou keramiku silně znečištěnou oxidy železa, zatímco ve šperkařském průmyslu je problém využít recyklovaný korundový řezný odpad, jehož cena je 5 rublů. za 1 kg.
VNIIyuvelirprom vyvinul technologii rekrystalizace pro tyto odpady, ale jejich použití pro pěstování YAG je mnohem efektivnější.
Využití recyklovatelného odpadu jako složky granátové vsázky je založeno na skutečnosti, že korundový odpad je monokrystalický oxid hlinitý s přísadami Cr 2 O 3 a V 2 O 3. Oxidy chrómu a vanadu, které barví krystaly korundu, hrají roli chromoforů i v granátu a vstupují do jeho struktury izomorfně. Recyklovatelný korundový odpad, vypěstovaný Verneuilovou metodou, obstojí ve srovnání s korundovou keramikou s nízkou koncentrací „škodlivých“ nečistot. Obsah Fe 2 O 3 v korundové keramice tak dosahuje 0,5 %. Vysoký obsah oxidu železa, který reaguje s molybdenem, vede při krystalizaci k netěsnosti nádob. Koncentrace železa v recyklovatelném odpadu nepřesahuje 0,05 %.
VNIIyuvelirprom vyvinul technologii pro pěstování YAG v plynném prostředí s využitím recyklovaného korundového odpadu. Podle této technologie se do speciální nádoby na tavení nakládá vysušený oxid yttrium, recyklovatelný odpad a případně přísady chromoforických oxidů ve stechiometrickém poměru. Současně se pro získání homogenního ingotu vsázka nakládá ve vrstvách: na dně nádoby - recyklovatelný korundový odpad, dále vrstva prášku V 2 O 3, recyklovatelný odpad atd. 10 ~ 2 torr. Poté se do zařízení vpustí směs argonu a vodíku (95 % vysoce čistého Ar a 5 % H 2 tech), čímž se vytvoří tlak 0,5 atm. Jednoduché výpočty ukazují, že vyšší stupeň evakuace nemá smysl. Takže i při evakuaci na 10-3 torrů bude množství kyslíku zaváděného s argonem o řád vyšší než množství kyslíku zbývajícího v zařízení.
Od okamžiku, kdy je směs plynů spuštěna do studeného zařízení, je v komoře neustále udržován přetlak, to znamená, že problém "úniku" přestává existovat.
Je třeba poznamenat, že proces pěstování YAG byl vyvinut s ohledem na specifické podmínky stávající výroby, takže přechod z „vakuové“ technologie na „plynovou“ technologii spojenou s využitím vodíku lze uskutečnit za stejné podmínky (požární kategorie místnosti) při dodržení všech technických požadavků na zabezpečení.
Vytvořená technologie poskytuje zjevné výhody oproti stávající technologii:
1. Doba přípravy zařízení se zkrátí o dvě až tři hodiny.
2. Životnost topného tělesa a tepelných štítů - nejvzácnější části krystalizační komory - se zvyšuje čtyřikrát až pětkrát.
3. Nepřítomnost filmu oxidů na tepelných štítech zvyšuje jejich odrazivost. To umožňuje, aby byl proces krystalizace prováděn při nižším napětí na ohřívači.
4. Významnou výhodou technologie založené na využití recyklovaného korundového odpadu je možnost získání krystalů různých barev včetně smaragdově zelené a procentuální výtěžnost vhodných surovin je mnohem vyšší než při pěstování ve vakuu.
Kromě smaragdově zelených krystalů vyvinutá technologie umožňuje získat YAG a další barvy žlutozelené řady, které jsou zajímavé pro šperkařský průmysl. Stůl 1. ukazuje odpovídající složení nálože.
stůl 1
Optimální složení náplně a barva narostlých YAG krystalů
| č. p p | Složení náboje | Barva | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Y203, hmotn. % | Al 2 O 3 (druh odpadu), hm. | Barvotvorná přísada | |||
| Látka | Hmotnost.% | ||||
| 1 | 57,1 | Korund s V 2 O 3 a Cr 2 O 3 42,9 |
- | - | Světle zelenožlutá, blízká chryzolitu |
| 2 | 57,1 | Korund s Cr2O3 42,9 |
- | - | Žlutá, blízká citrínu |
| 3 | 57,1 | Korund s V 2 O 3 a Cr 2 O 3 42,9 |
V 2 O 5 | 0,40 | Zelená blízko smaragdu |
| 4 | 57,1 | Taky | V2O3 | 0,30 | Taky |
| 5 | 57,1 | Korund s Cr2O3 42,9 |
V 2 O 5 | 0,40 | Taky |
| 6 | 57,1 | Taky | Cr2O3 | 0,30 | Tmavozelený |
Jak vyplývá z datové tabulky. 1, krystaly YAG barev chryzolitu a citrínu jsou získávány bez přídavku oxidů - chromoforů a díky barvícím látkám obsaženým v recyklovaném korundovém odpadu (Cr 2 O 3 - 0,3-0,7 hm. % a V 2 O 3 - 0, 2-0, 3 % hmotn.
Určeno v tabulce. 1 je obsah barvotvorných přísad vypočítán jako procento z celkového množství oxidu yttria a recyklovatelného odpadu. Tyto přísady jsou superstechiometrické, to znamená, že nejsou kompenzovány dodatečným množstvím V2O3. Takové složení náplně umožňuje získat nejen požadovanou barvu, ale také zlepšit kvalitu krystalu (sníží se praskání).
Podle tabulky. 1 ukazuje, že pro získání smaragdově zbarvených krystalů lze do vsázky přidat jak V203, tak Al203. To je způsobeno skutečností, že pětimocný vanad se snadno redukuje na trojmocný stav v přítomnosti vodíku. Se zavedením Cr 2 O 3
(krystal č. 6) je ve světle žárovky pozorována červená fluorescence, což vede ke zřejmému rozdílu mezi těmito krystaly a smaragdy.
Barevnou blízkost zbylých krystalů ke chryzolitu, citrínu a smaragdu potvrzuje nejen metoda odborného posouzení, ale i objektivní výpočty barevných charakteristik porovnávaných materiálů. Barevné souřadnice byly vypočteny podle standardní metody založené na údajích o transmisních spektrech YAG a přírodních minerálů.
Srovnání spekter zeleného "smaragdového" granátu a přírodního smaragdu (křivky 1 a 4 na obr. 1) svědčí obecně o jejich podobnosti ve významném rozsahu vlnových délek. Barevné znaky chryzolitu a YAG barvy chryzolitu jsou rovněž dosti podobné (křivky 2, 5).
Vypočítané souřadnice v barevném trojúhelníku (obr. 2) určují odstín a čistotu barvy. Jak je patrné z údajů na obr. 2, souřadnice smaragdově zbarveného granátu (bod 1) a přírodního smaragdu (bod 4) jsou si velmi blízké a barevná podobnost je větší než v případě přírodního a syntetického smaragdu. (bod 8). Významná podobnost je také zjištěna při srovnání barevných souřadnic granátu zbarveného do chryzolitu (bod 2) a přírodního chryzolitu (bod 5). Totéž lze říci o přírodním citrínu (bod 6) a „citrínovém“ granátu (bod 3), jejichž barvy jsou si blíže než barvy přírodního a syntetického (bod 7) citrínu.
Stůl 1 ukazuje množství chromoforů přidaných do šarže. Přirozeně se v průběhu krystalizace mění koncentrace chromoforů. Proto bylo zajímavé stanovit obsah Cr a V v monokrystalu, jehož barva by vyhovovala požadavkům na šperkařské suroviny. Za tímto účelem byla provedena spektrální emisní analýza pro Cr a V krystalu č. 3, která umožnila odhadnout rozložení chromoforů po délce monokrystalu. Chyba ve stanovení byla 9 a 11 % pro Cr a V, resp. (obr. 3). Koncentrace vanadu v náplni nepřesáhla 0,5 % (0,1 % v recyklovatelném korundovém odpadu; data byla získána při teplotě 300 K. Při zjednodušeném uvážení laseru lze použít čtyřúrovňové pracovní schéma; hlavní „úroveň“ je termín 4/9/2, spodní pracovní „úroveň“ – termín horní pracovní „úroveň“ – termín „úroveň“ buzení – termíny a Všimněte si, že přechody jsou v dipólové aproximaci zakázány (opticky zakázány), protože během těchto přechodů se orbitální kvantové číslo neodymového iontu změní o 3, proto jsou stavy odpovídající -termům metastabilní.
Titanát strontnatý (fabulite)
Ve srovnání s rutilem je tento syntetický kámen vhodnější pro náhradu diamantu v šperky... Je zcela bezbarvý, opticky izotropní a jeho index lomu (2,41) je podobný jako u diamantu. Rozptyl fabulite (0,1 - 0,2) je vyšší, což poskytuje krásnou hru při změně úhlů dopadu světla nebo osvětlovacích paprsků. Tvrdost fabulite je 5,5 - 6,5, proto je vhodné jej používat na výrobu náušnic nebo přívěsků a ne do prstenů, kde se rychleji opotřebuje.
Syntéza titaničitanu strontnatého se provádí podle dobře známé metody M. A. Verneuila.
Po růstu jsou krystaly nutně žíhány v proudu kyslíku při nízké teplotě. V zahraničí průmyslovou výrobu fab-lit provádí společnost National Ice and Co (USA). Fabulite se nevyrábí v SSSR.
Ytrium-hliníkový granát (YAG)
Oxid yttritohlinitý (Y 3 A1 5 O 12) má granátovou strukturu a častěji se mu říká yttriumhlinitý granát - YAG nebo garnetit. YAG se pěstuje nejčastěji Czochralského metodou, ale dobré výsledky má i metoda krystalizace z taveniny s tavidlem. Podmínky pro syntézu YAG jsou velmi podobné jako pro pěstování korundu.
Zprvu se yttrium-hlinitý granát používal pouze v technologii; Přidáním některých lanthanoidů (zejména neodymu) byly vypěstovány krystaly používané v laserové technologii: krystaly YAG navíc slouží jako substrát při syntéze ferimagnetických granátů používaných v laserové technice a radioelektronice.
V posledních letech je YAG široce používán ve šperkařství. Díky přidání lanthanoidů bylo možné získat krystaly různých barev - červené, zelené, žluté, hnědé atd., které se v přírodě nevyskytují. V zahraničí IAG vyrábí řadu firem, nejoblíbenější jsou granáty firmy "Linda" (USA).
V SSSR se YAG vyrábí metodou směrové krystalizace, která umožňuje růst dokonale pravidelných a čistých krystalů.
Umělé granátové jablko se tvoří, když vysoké teploty v hlubokém vakuu ve speciálních zařízeních. Rostlina produkuje světlá, růžová, žlutá a zelená granátová jablka. Doba syntézy je asi 4 dny. Probíhá výzkum s cílem získat YAG krystaly jakékoli barvy – od fialové a citronové až po čistě modrou a lila.
Niobát lithný
Niobát lithný - LiNbO 3 je poměrně měkký syntetický kámen (tvrdost asi 5,5 na Mohsově stupnici). Je zajímavý především svými optickými vlastnostmi, které umožnily jeho použití v laserové technologii. Jeho index lomu je 2,2-2,3, disperze je vysoká 0,12, což zajišťuje krásnou hru kamene.
Krystaly se pěstují podle Czochralského metody. Přidáním oxidů přechodných kovů do taveniny lze získat krystaly různých barev: přidáním oxidu chrómu - zeleného, oxidu železa - červeného, oxidu kobaltu - modrého nebo modrého. V SSSR se niobát lithný nesyntetizuje.
Chemický vzorec YAG::. Tento laser pracuje na čtyřúrovňovém schématu. První úroveň, nazývaná přízemní úroveň, odpovídá minimální možné hodnotě energie, kterou mohou mít ionty.
Počet iontů s minimální energií je většina. Počet iontů na vyšších energetických hladinách je znatelně menší a podřizuje se rovnovážnému Boltzmannovu rozdělení. V neodymových granátových laserech jsou nižší provozní úrovně slabě obsazeny, a proto se hlavní část výkonu čerpadla nevynakládá na vytvoření inverzní populace (), ale na překonání ztrát v dutině a na užitečné výstupní záření. V tomto případě pro zdání generace stačí přenést do úrovně 3 pouze malou část iontů umístěných na úrovni země. To příznivě odlišuje tento typ laserů od laserů pracujících ve tříúrovňovém schématu. V druhém případě je nižší provozní úroveň hlavní úrovní a pro vytvoření inverzní populace () je nutné přenést na metastabilní úroveň 2 alespoň polovinu iontů z hlavní úrovně a vzít v úvahu ztráty v dutina a užitečné záření, více než polovina. Proto se u tříúrovňových laserů (například rubínových) neproduktivně plýtvá výkonem čerpadla a jejich účinnost se ukazuje jako výrazně nižší. Stav média, kdy N3> N2 se nazývá populační inverze energetických hladin. Yttrium-hliníkový granát dopovaný neodymem je unikátní materiál s dobrou tepelnou vodivostí, vysokou tvrdostí a vyhovujícími optickými vlastnostmi. Vhodné pro generování v režimu synchronizace. Dlouhá životnost horní hladiny laseru (t = 0,23 ms) umožňuje YAG velmi dobře pracovat v režimu Q-switched. YAG lasery mohou pracovat v kontinuálním i pulzním režimu. V obou případech se lineární lampy obvykle používají v obvodech s jedním elipsovým osvětlovačem, s těsným uspořádáním lampy a krystalu nebo s víceelipsovým osvětlovačem. Pro provoz v pulzním a kontinuálním režimu se používají středotlaké xenonové výbojky (500-1500 mm Hg) a vysokotlaké kryptonové výbojky (4-6 atm). Rozměry tyčí jsou obvykle stejné jako u rubínového laseru. Výstupní parametry YAG laseru jsou následující: v kontinuálním multimódovém režimu je výstupní výkon až 200 W; v pulzním laseru s vysokou frekvencí opakování pulzů (50 Hz) je průměrný výstupní výkon asi 500 W; v Q-spínaném režimu je maximální výstupní výkon až 50 MW; v režimu uzamčení režimu je doba trvání pulzu až 20 ps. V pulzním i kontinuálním režimu je rozdílová účinnost asi 1-3 %.
24. Polovodičové lasery. Princip činnosti, druhy polovodičových laserů. Spektrální a laserové charakteristiky.
Polovodičové lasery (SSL) emitují záření v rozsahu vlnových délek 0,32-32 mikronů. Jako aktivní médium se používají polovodičové krystaly. Využívají optické přechody za účasti volných proudových nosičů v krystalech, tzn. zapojení států do elektronických pásem.
Polovodičové lasery mají následující vlastnosti:
Velmi malá velikost oblasti vyzařování,
Velmi vysoká účinnost (50-60%),
Malé kapacity.
Ve srovnání s pevnolátkovými a plynovými polovodičovými lasery mají:
Menší soudržnost,
Směrovost (1-6 °) a
Monochromatičnost paprsku (přibližně 5 nm).
Podle způsobu čerpání se polovodičové lasery dělí na:
Injekce,
S čerpanou poruchou v elektrickém poli,
Pumpováno paprskem rychlých elektronů,
Opticky pumpovaná
Polovodičové lasery pracují převážně v pulzním režimu a při nízkých teplotách, což je způsobeno nutností zajistit odvod tepla a také tím, že při snížení teploty dochází k lasování při nižších proudových hustotách. Nejpoužívanějším aktivním prostředím je arsenid gallia s p-n přechodem generujícím záření o vlnové délce 0,84 μm a slitina arsenidu galia a fosfidu. Pn přechod je excitován injekcí elektronů.
Polovodičové lasery se od ostatních laserů liší svými kvalitami, strukturou a principy činnosti. Energetické hladiny spojené s laserovým přechodem jsou určeny celou krystalovou mřížkou. Tyto stavy nejsou diskrétní, ale sloučené do energetických zón, které jsou 
skupiny energetických stavů nacházejících se velmi blízko. U laseru jsou zajímavá dvě energetická pásma: valence a vodivost.
Valenční pás je nejvyšší stav vyplněný elektrony. Vodivostní pás leží nahoře a je oddělen energetickou oblastí nazývanou zakázané pásmo, ve které nejsou žádné elektronické stavy. Když je energie absorbována, elektrony se pohybují z valenčního pásu do vodivostního pásu. Ve valenčním pásu zůstávají otvory. Podobně může elektron projít z vodivého pásu a rekombinovat se s dírou ve valenčním pásu. Při rekombinaci je energetický rozdíl emitován jako záření. Elektrony jsou injektovány ze strany typu n a rekombinují se v přechodové oblasti. V důsledku toho vzniká proud. Takové lasery se nazývají injekční lasery. Při průchodu proudu musí být vytvořen dostatečný počet děr a elektronů, aby záření vzniklé při jejich rekombinaci převýšilo ztráty spojené s difrakční emisí světla z aktivní oblasti, prostupem světla na hranici přechodu a absorpcí světlo volnými nosiči v přechodové oblasti. Proto existuje prahová hustota proudu požadovaná pro provoz laseru.
Polovodičové lasery nevykazují nízkou divergenci paprsků, protože jejich záření je vyzařováno skrz aperturu omezenou malou šířkou přechodu. Difrakce v úzkém přechodovém pásmu vede k emisi pod širším úhlem než u jiných typů laserů. Záření například z galliumarsenidového laseru má proto podobu eliptického paprsku s úhlem rozptylu na úrovni 0,5, rovný několika stupňům ve směru rovnoběžném s přechodem, a velkými rozměry ve směru kolmém k přechod.