Гранат на базата на итриев скандий и алуминий. Синтетични гранати
Има няколко вида синтезирани камъни, които не се срещат в природата. Тези кристали са отгледани случайно по време на изследвания в областта на физиката на твърдото тяло. Някои от тези кристали, след изрязване, започнаха да се използват в бижутерията.
стронциев титанат
Един от тях е синтетичен стронциев титанат, който се отглежда в горелка Verneuil. Стронциевият титанат има химичен състав SrTiO3. Стронциевият титанат и минералът перовскит (CaTiO3) са много сходни по своята кубична структура и кристална форма. Стронциевият титанат е изотропен, почти безцветен, има индекс на пречупване в натриева светлина 2.410, дисперсия 0.19 в диапазона от B до G, специфично тегло 5.1, твърдост 6. Стронциевият титанат има и други имена като starilian, fabulite, диагема. Брилянтно изрязаният стронциев титанат е много подобен на диаманта, въпреки че може лесно да се разпознае дори по неговата твърдост или по специфичното му тегло от 3,52 и не флуоресцира в ултравиолетова светлина. Поради факта, че стронциевият титанат се различава лесно от диаманта, той не се използва в бижутерията.
литиев ниобат
Друго вещество, което не се среща в природата, но може да се отгледа изкуствено, е литиевият ниобат. Натриевият ниобат навлезе на американския пазар за бижута под името Linobat. Литиевият ниобат се отглежда предимно безцветен, но ако се добавят специални добавки, той може да стане червен до лилав. Литиевият ниобат има химичен състав LiNbO3. По своите химични свойства той е много близък до свойствата на стронциевия титанат. Но за разлика от стронциевия титанат, това изкуствено отгледано вещество не е изотропно, а едноосно или по друг начин тригонално. Литиевият ниобат има индекс на пречупване на обикновен лъч в натриева светлина от 2,30, индекс на пречупване на извънреден лъч от 2,21. Литиевият ниобат има твърдост 5,5, специфично тегло 4,64, дисперсия 0,120 в диапазона от B до G, което е 3 пъти по-високо от дисперсията на диаманта.
Физиците са синтезирали няколко вещества, много подобни по структура на гранатите. Такива минерали не се срещат в природата. Тези подобни на гранат вещества имат химическа формула X3AL3O12. Тези вещества се създават в горелката Verneuil или според метода на Чохралски, при който естествен минерал, суспендиран над стопилката, се спуска като семе, докато докосне повърхността на стопилката, след което се повдига и в същото време се завъртян. Поради това кристалът се получава с голяма цилиндрична форма. Този процес се нарича още изтегляне на стопилка. Най-търсените от тези вещества са итриев алуминиев гранат и Daimoner. Итриевият алуминиев гранат и Daimoner обикновено се правят безцветни, но можете да им дадете различен цвят, като добавите специален примес за това. Например, ако се добави хром, веществото ще стане зелено и ще изглежда като демантоид. Възможно е да се разграничи синтетично вещество от демантоид чрез специфично тегло, тъй като специфичното тегло на веществото е 4,6, докато това на демантоида е много по-малко.
Химична формула YAG: : . Този лазер работи по четиристепенна схема. Първото ниво, наречено основно ниво, съответства на минималната възможна стойност на енергията, която йоните могат да имат.
Броят на йоните с минимална енергия е мнозинството. Броят на йоните при по-високи енергийни нива е значително по-малък и се подчинява на равновесното разпределение на Болцман. В лазерите с неодимов гранат по-ниските работни нива са слабо заселени и следователно по-голямата част от мощността на помпата се изразходва не за създаване на обратна популация (), а за преодоляване на загубите в резонатора и върху полезно изходно лъчение. В този случай, за да се получи генериране, е достатъчно да се прехвърли на ниво 3 само малка част от йоните, разположени на нивото на земята. Това благоприятно отличава този тип лазери от лазерите, работещи по тристепенна схема. В последното нивото на земята е по-ниското работно ниво и за да се създаде обратна популация (), се изисква поне половината от йоните да се прехвърлят от нивото на земята към метастабилното ниво 2 и като се вземат предвид загубите в резонатор и полезно лъчение, повече от половината. Следователно в тристепенните лазери (например на рубин) мощността на помпата се изразходва непродуктивно и ефективността им се оказва значително по-ниска. Състоянието на околната среда, когато N3>N2, се нарича инверсия на населението на енергийните нива. Допираният с неодим итрий-алуминиев гранат е уникален материал с добра топлопроводимост, висока твърдост и задоволителни оптични свойства. Подходящ за генериране в режим на заключен режим. Дългият живот на горния лазерен нивелир (t = 0,23 ms) позволява YAG да бъде доста добър за работа с Q-превключвател. YAG лазерите могат да работят както в непрекъснат, така и в импулсен режим. И в двата случая линейните лампи обикновено се използват във вериги с единичен елиптичен осветител, с близко подреждане на лампа и кристал или с многоелипсови осветител. За работа в импулсен и непрекъснат режим се използват съответно ксенонови лампи със средно налягане (500-1500 mm Hg) и криптонови лампи с високо налягане (4-6 atm). Размерите на пръчките обикновено са същите като тези на рубинен лазер. Изходните параметри на YAG лазера са както следва: в непрекъснат многомодов режим изходната мощност е до 200 W; в импулсен лазер с висока честота на повторение на импулса (50 Hz), средната изходна мощност е около 500 W; в режим Q-switched максималната изходна мощност е до 50 MW; в режим на заключен режим продължителността на импулса е до 20 ps. И в импулсен, и в непрекъснат режим диференциалната ефективност е около 1-3%.
24. Полупроводникови лазери. Принцип на действие, видове полупроводникови лазери. Спектрални и генерационни характеристики.
Полупроводниковите лазери (SPL) излъчват радиация в диапазона на дължината на вълната 0,32-32 микрона. Като активна среда се използват полупроводникови кристали. Те използват оптични преходи, включващи свободни токови носители в кристали, т.е. включващи държави в електронни ленти.
Полупроводниковите лазери имат следните характеристики:
Много малък размер на излъчващата област,
Много висока ефективност (50-60%),
Малки правомощия.
В сравнение с твърдотелни и газови полупроводникови лазери, те имат:
по-малко съгласуваност,
насоченост (1-6°) и
Монохроматичност на лъча (приблизително 5 nm).
Според метода на изпомпване полупроводниковите лазери се разделят на:
инжекция,
С разрушаващо изпомпване в електрическо поле,
Изпомпван от лъч бързи електрони,
С оптично изпомпване
Полупроводниковите лазери работят предимно в импулсен режим и при ниски температури, което се дължи на необходимостта от осигуряване на отвеждане на топлината, както и на факта, че при понижаване на температурата се получава генериране при по-ниски плътности на тока. Като активна среда най-широко се използва галиев арсенид с p-n преход, генериращ радиация с дължина на вълната 0,84 μm, и сплав от галиев арсенид и галиев фосфид. p-n преходът се възбужда чрез инжектиране на електрони.
Полупроводниковите лазери се различават от другите лазери по своите качества, структура и принцип на работа. Енергийните нива, свързани с лазерния преход, се определят от цялата кристална решетка. Тези състояния не са дискретни, а са обединени в енергийни зони, които са 
групи от енергийни състояния, които са много близко разположени. Две енергийни ленти представляват интерес за лазера: валентната и проводимата зона.
Валентната лента е най-високото състояние, изпълнено с електрони. Зоната на проводимост се намира отгоре и е разделена от енергийна област, наречена забранена зона, в която няма електронни състояния. Когато енергията се абсорбира, електроните се преместват от валентната зона към проводимата зона. Остават дупки във валентната лента. По подобен начин един електрон може да излезе от зоната на проводимост и да се рекомбинира с дупка във валентната лента. По време на рекомбинацията разликата в енергията се излъчва под формата на радиация. Електроните се инжектират от страната на n-типа и се рекомбинират в преходната област. В резултат на това се генерира ток. Такива лазери се наричат инжекционни. Когато токът преминава, трябва да се създаде достатъчен брой дупки и електрони, така че излъчването, генерирано по време на тяхната рекомбинация, да надвишава загубите, свързани с дифракционното излизане на светлина от активната област, предаването на светлина на границата на прехода и абсорбцията на светлина от свободни носители в областта на кръстовището. Следователно има прагова плътност на тока, необходима за работа на лазера.
Полупроводниковите лазери нямат малка дивергенция на лъча, тъй като тяхното излъчване се излъчва през отвор, ограничен от малка ширина на прехода. Дифракцията от тясна преходна лента води до по-широк ъгъл на излъчване, отколкото при други видове лазери. Следователно излъчването на например галиев арсениден лазер има формата на елиптичен лъч с ъгъл на разсейване 0,5, равен на няколко градуса в посока, успоредна на прехода, и големи размери в посока, перпендикулярна на прехода.
Стронциев титанат (фабулит)
В сравнение с рутила, този синтетичен камък е по-подходящ за замяна на диаманта в бижутата. Той е напълно безцветен, оптически изотропен, а индексът му на пречупване (2,41) е подобен на този на диаманта. Дисперсията на фабулита (0,1 - 0,2) е по-висока, което осигурява красива игра при промяна на ъглите на падане на светлинни лъчи или осветяване. Твърдостта на фабулита е 5,5 - 6,5, така че е препоръчително да се използва за направата на обеци или висулки, а не в пръстени, където ще се износи по-бързо.
Синтезът на стронциев титанат се извършва съгласно добре известния метод на M. A. Verneuil.
След отглеждане кристалите трябва да се закалят в струя кислород при ниска температура. В чужбина промишленото производство на fabu-lit се извършва от National Ice and Co. (САЩ). Фабулит не се произвежда в СССР.
Итриев алуминиев гранат (YAG)
Итрий-алуминиевият оксид (Y 3 A1 5 O 12) има структура на гранат и по-често се нарича итрий-алуминиев гранат - YAG или гранатит. YAG се отглежда най-често по метода на Чохралски, но методът на кристализация от стопилка с флюс също дава добри резултати. Условията за синтез на YAG са много подобни на условията за отглеждане на корунд.
Първоначално итриево-алуминиевият гранат се използва само в инженерството; чрез добавяне на някои лантаниди (по-специално неодим), се отглеждат кристали, използвани в лазерната технология: в допълнение YAG кристалите служат като субстрат при синтеза на феримагнитни гранати, използвани в лазерната технология и радиоелектрониката.
През последните години YAG се използва широко в бижутерията. Благодарение на добавянето на лантаниди стана възможно да се получат кристали с различни цветове - червени, зелени, жълти, кафяви и др., които не се срещат в природата. В чужбина YAG произвежда редица компании, като най-популярните гранати са компанията "Linda" (САЩ).
В СССР YAG се произвежда по метода на насочена кристализация, което позволява отглеждането на идеално правилни и чисти кристали.
Изкуственият гранат се образува при високи температури в дълбок вакуум в специални апарати. Растението произвежда светли гранати, розови, жълти и зелени. Времето за синтез е около 4 дни. Провеждат се изследвания за получаване на YAG кристали от всякакъв цвят - от лилаво и лимонено до чисто синьо и лилаво.
литиев ниобат
Литиевият ниобат - LiNbO 3 - е сравнително мек синтетичен камък (твърдост около 5,5 по скалата на Моос). Интересен е преди всичко с оптичните си свойства, което направи възможно използването му в лазерната технология. Коефициентът му на пречупване е 2,2 -2,3, дисперсията е висока 0,12, което осигурява красива игра на камъка.
Кристалите се отглеждат по метода на Чохралски. С добавянето на метални оксиди от преходна група към стопилката могат да се получат кристали с различни цветове: с въвеждането на хромен оксид - зелен, железен оксид - червен, кобалтов оксид - син или син. В СССР литиевият ниобат не се синтезира.
Итриев алуминиев гранат (YAG) е оптичен материал, подходящ за използване в UV и IR оптика.. Продуктите от YAG могат да се използват като оптични елементи в широк диапазон на спектъра от 250-5000 nm. Механичните и химичните свойства на YAG са близки до тези на сапфира, но YAG не проявява двойно пречупване и неговата обработка е малко по-проста от тази на сапфира. YAG няма линии на абсорбция в областта 2-3 µm, където стъклата обикновено имат висока абсорбция поради силното свързване на водните молекули. Поради високата си якост, праг на счупване, индекс на пречупване и топлопроводимост, YAG може да се използва при високи температури и в лазери с висока мощност.
За нашата оптика използваме висококачествени кристали Чохралски и хоризонтално отглеждани по избор на клиента. Фирмата ни извършва YAG лазерно полиране, производство на световоди, призми и огледала.
|
Оптични свойства |
|
| Площ на предаване, µm | 0,21 до 5,3 |
| Индекс на пречупване при 1,064 µm | 1.82 |
| Загуба на отражение, % за две повърхности 1.064 µm | 16.7% |
| Термооптичен фактор (dT), 633 nm | 7,3*10-6*К-1 |
|
Физични свойства |
|
| Плътност, g/cm3(20°C) | 4.56 |
| Разтворимост | Неразтворим във вода |
| Тип материал | Синтетичен монокристал |
| Кристална структура | кубичен |
| Точка на топене °C | 1940 |
| Топлопроводимост W * cm -1 * °K -1 | 0.14 |
| Температурен коефициент на линейно разширение 1/°C | 7.8x10-6 |
| Специфична топлина J /(kg * K) при 0 °C | 590 |
| Диелектрична константа | 11.7 |
| Модул на Юнг (E), GPa | 300 |
| Коефициенти на еластичност | C11 = 333 C12 = 111 C44 = 115 |
| граница на еластичност MPa | 280 |
| Твърдост по Моос | ~8,5 |
Итриев алуминиев гранат, легиран с неодим (Y 3 A 15 O 12:Nd 3+)
Итриев алуминиев гранатлегирани с неодим ( Y 3 A 15 O 12:Nd 3+) е лазерен кристал, който се използва широко в промишлени, медицински и научни цели. Основните му предимства са: нисък праг на генериране, висока ефективност, ниски загуби на мощност. 1.064 µm, както и високо оптично качество, добра топлопроводимост и устойчивост на температурни крайности, стабилни химични и механични свойства, което прави възможно използването на Nd:YAG във всички видове твърдотелни лазери.
| Имоти | |
| Химична формула | Nd 3+ : Y 3 Al 5 O 12 |
| Кристална структура | кубичен |
| Концентрация на основна сплав, at.% | 0.5 - 1.2 |
| Константа на решетката, A | 12.01 |
| Плътност g/cm3 | 4.56 |
| Точка на топене, °C | 1950 |
| Диелектрична константа | 11.7 |
| Твърдост на мъха | 8.5 |
| 7,8 x 10 -6 x °K -1,<111> 8,2 x 10 -6 x °K -1,<100> |
|
| Топлопроводимост 25°C, W x cm -1 x °K -1 | 0.14 |
| Коефициент на загуба при 1064 nm, cm -1 | 0.003 |
| Индекс на пречупване при 1 µm | 1.82 |
Спецификация на Nd:YAG лазерни пръчки
| Материал | Итриев алуминиев гранат, легиран с неодим |
| Ниво на допинг | 0.5 - 2.3 % |
| Разпространение на допинг | +/- 0.1 % |
| Ориентация | <111> |
| Толерантност към ориентация | +/-5º |
| Толеранс на диаметъра | +/- 0,05 мм |
| Толеранс на дължина | +/- 0,5 mm или както се изисква |
| Паралелизъм | |
| Перпендикулярност | |
| Изкривяване на вълновия фронт | Ламбда/8 на инч при 633 nm |
| плоскост | Lambda/10 при 633 nm или по желание на клиента |
| Точки за надраскване | 10-5 MIL - 13830B |
| Странична повърхност | Шлайфани или полирани |
| светлинен отвор | 90% централна част |
| Фаски | <0.15 мм x 45º |
| Покрития | AR покрития R<0.2% с поверхности на1064 nm или по требованию заказчика |
Допълнително ARD-OPTICS предлага ремонтни услуги
(рефиниране и нанасяне на покритие) на лазерни елементи на клиента
Итриев алуминиев гранат с добавка на ербий (Er:Y 3 Al 5 O 12 или Er:YAG)
Итриев алуминиев гранат, легиран с ербий ( Er :Y 3 Al 5 O 12 или Er :YAG ) е лазерен кристал, който има широки предимства, когато се използва при дължина на вълната 2.94µ . Er:YAG има високо оптично качество, висока ефективност, добра топлопроводимост, стабилни химични и механични свойства. Er :YAG е напомпан в широка област 600 - 800 nm. Всички тези свойства правят Er: YAGотличен материал за стоматологични и други медицински лазери.
| Основни свойства | |
| Химична формула | Er: Y 3 Al 5 O 12 |
| Кристална структура | Кубичен |
| Концентрация на основна сплав, at.% | 1 - 50% |
| Константа на решетката, A | 12.00 |
| Плътност, g/cm3 | 5.35 |
| Точка на топене, ºC | 1970 |
| Диелектрична константа | 11.7 |
| Твърдост на мъха | 8.5 |
| .Коефициент на топлинно разширение | 7,7 x 10-6 x ºK-1,<111>8,2 x 10-6 x ºK-1,<100> |
| Топлопроводимост при 25ºC, W x cm-1 x ºK-1 | 0.12 |
| Коефициент на загуба при 1064 nm, cm-1 | 0.003 |
| Дължина на вълната на радиация, nm | 2940 |
| Индекс на пречупване, при 2940 nm | 1.79 |
Спецификация на лазерни пръти Er:YAG
| Материал | Итриев алуминиев гранат с добавка на ербий |
| Ниво на допинг | 1 - 50 % |
| Ориентация | <111> |
| Толерантност към ориентация | +/-5º |
| Толеранс на диаметъра | +/- 0,05 мм |
| Толеранс на дължина | +/- 0,5 мм или според изискванията на клиента |
| Паралелизъм | |
| Перпендикулярност | |
| Изкривяване на вълновия фронт | Ламбда/8 на инч при 633 nm |
| Плоскост | Lambda/10 при 633nm или според изискванията на клиента |
| точки за надраскване | 10-5 |
| Странична повърхност | Шлайфани или полирани |
| светлинен отвор | 90% |
| Фаски | <0.15 mm x 45º |
| Покрития | AR покрития с R<0.25 % на 2940 нм или по требованию заказчика |
Допълнително ARD-OPTICS предлага ремонтни услуги
(рефиниране и нанасяне на покритие) на лазерни елементи на клиента
Итриев алуминиев гранат, легиран с итербий (Yb: Y 3 Al 5 O 12 или Yb:YAG)
Итриев алуминиев гранат, легиран с итербий (Yb: Y 3 Al 5 O 12 или Yb:YAG) е един от обещаващите лазерно активни материали и е по-удобен за диодно изпомпване в сравнение с традиционните Nd гранати. Той може да генерира при дължина на вълната от 1,03µ, когато се изпомпва при 940 nm. Основните предимства на Yb:YAG: широка лента на поглъщане, висока ефективност и отлична емисия. Yb:YAG лазерният материал се използва широко в индустриалните лазери за рязане и заваряване на метали. Този кристал се използва и в електрониката, оптиката и лазерната технология.
| Основни свойства | |
| Химична формула | Yb 3+ : Y 3 Al 5 O 12 |
| Кристална структура | кубичен |
| Концентрация на допинг, при.% | 5 - 30 % |
| Константа на решетката, A | 12.01 |
| Плътност g/cm3 | 4.56 |
| Точка на топене, °C | 1970 |
| Твърдост на мъха | 8.5 |
| Коефициент на термично разширение | 7,8 x 10 -6 x °K -1,<111> |
| Топлопроводимост25°C, W x cm -1 x °K -1 | 0.14 |
| Коефициент на загуба при 1064 nm, cm -1 | 0.003 |
| Дължина на вълната на генериране, nm | 1030 |
| Индекс на пречупване, за 1 µ | 1.82 |
Спецификация на лазерни пръти Yb:YAG
| Материал | Итриев алуминиев гранат, легиран с итербий |
| Ниво на допинг | 5 - 30 % |
| Ориентация | <100> |
| Толерантност към ориентация | +/-5º |
| Толеранс на диаметъра | +/- 0,05 мм |
| Толеранс на дължина | +/- 0,5 мм или според изискванията на клиента |
| Паралелизъм | |
| Перпендикулярност | |
| Изкривяване на вълновия фронт | Ламбда/8 на инч при 633 nm |
| плоскост | Ламбда/10 при 633 nm или по желание на клиента |
| Точки за надраскване | 10-5 |
| Странична повърхност | Шлайфани или полирани |
| светлинен отвор | 90% централен район |
| Фаски | <0.15 мм x 45º |
| Покрития | AR покрития с R<0.25% с поверхности на требуемой длине волны |
Допълнително ARD-OPTICS предлага ремонтни услуги
(рефиниране и нанасяне на покритие) на лазерни елементи на клиента
Един от най-широко използваните твърдотелни лазери в момента е лазер, в който итрий-алуминиев гранат служи като матрица и йони като активатор. Приетото обозначение на този лазер
Лазерът има относително нисък праг на възбуждане и висока топлопроводимост, което позволява да се реализира генериране при висока честота на повторение на импулса, както и генериране в непрекъснат режим. Ефективността на лазера е относително висока; достига няколко процента.
Основните преходи на неодимовия йон в граната са показани на фиг. 1.16. Извършват се преходи между определени атоми, които са показани на фигурата под формата на "енергийни ленти". Всяка "лента" (всеки член) съответства на група от относително тесни енергийни нива, които са възникнали в резултат на разделянето на този член в електрическото поле на кристалната решетка на граната (разделяне на Старк).
В процеса на изпомпване неодимовите йони преминават от основното състояние, съответстващо на термина, в три групи състояния: A, B, C. Група А съответства на термините група B - термини и група C - термин Тези три групи състояния съответстват до три ленти в спектъра на поглъщане на неодим в гранат,
показано на фиг. 1.17, a (съответно A-, B- и V-ленти). Фината структура на абсорбционните ленти, ясно видима на фигурата, отразява ефекта от разделянето на термините на Старк.
Терминът е горното работно "ниво". Неодимовите йони са подчертани, преминавайки от това "ниво" към нивата, съответстващи на термините. Основната част от енергията (60%) се излъчва при преходи; обичайно е да се разглеждат нивата, съответстващи на термина представен е спектърът на луминесценция на неодим в гранат за преходи.Спектърът съдържа 7 линии; най-интензивните линии са 1.0615 и 1.0642 µm. В табл. Таблица 1.1 показва дължините на вълните за 18 луминесцентни линии, като се вземат предвид различни преходи 114]; данните са получени при температура 300 K. При опростено разглеждане на лазера може да се използва четиристепенна работна схема; основно "ниво" - термин 4/9/2, долно работно "ниво" - термин горно работно "ниво" - термин "ниво" на възбуждане - терми и орбиталното квантово число на неодимовия йон се променя с 3; следователно състоянията, съответстващи на -термовете, са метастабилни.
