Granat na bazi itrijuma skandija i aluminijuma. Sintetičke granate

Postoji nekoliko vrsta sintetiziranog kamenja koje se ne nalaze u prirodi. Ovi kristali su uzgojeni slučajno tokom istraživanja u oblasti fizike čvrstog stanja. Neki od ovih kristala su nakon rezanja počeli da se koriste u nakitu.

Stroncijum titanat

Jedan od njih je sintetički stroncij titanat, koji se uzgaja u Verneuil plameniku. Stroncijev titanat ima hemijski sastav SrTiO3. Stroncijev titanat i mineral perovskit (CaTiO3) su vrlo slični po svojoj kubičnoj strukturi i kristalnom obliku. Stroncijev titanat je izotropan, gotovo bezbojan, ima indeks prelamanja na natrijum svjetlosti 2,410, disperziju od 0,19 u rasponu od B do G, specifičnu težinu 5,1 i tvrdoću 6. Stroncijev titanat ima i druga imena kao npr. starilian, fabulite, diagem. Briljantno rezani stroncij titanat je vrlo sličan dijamantu, iako se lako može prepoznati čak i po tvrdoći ili specifičnoj težini od 3,52, a ne fluorescira na ultraljubičastom svjetlu. Zbog činjenice da je stroncij titanat lako razlikovati od dijamanta, nije se koristio u nakitu.

Litijum niobat

Druga supstanca koja se ne pojavljuje u prirodi, ali se može uzgajati umjetno je litijum niobat. Natrijum niobat je ušao na američko tržište nakita pod imenom Linobat. Litijum niobat se uzgaja uglavnom bezbojno, ali ako se dodaju posebni aditivi, može dobiti boju u rasponu od crvene do ljubičaste. Litijum niobat ima hemijski sastav LiNbO3. Po svojim hemijskim svojstvima veoma je blizak svojstvima stroncijum titanata. Ali za razliku od stroncijum titanata, ova umjetno uzgojena tvar nije izotropna, već jednoosna ili na neki drugi način trigonalna. Litijum niobat ima indeks prelamanja običnog snopa u natrijumovom svetlu od 2,30, a indeks prelamanja neobičnih zraka 2,21. Litijum niobat ima tvrdoću 5,5, specifičnu težinu 4,64, disperziju 0,120 u opsegu od B do G, što je 3 puta veće od disperzije dijamanta.

Fizičari su sintetizirali nekoliko supstanci sa strukturom vrlo sličnom granatu. Takvi minerali ne postoje u prirodi. Ove supstance slične granatu imaju hemijsku formulu X3AL3O12. Ove tvari se stvaraju u Verneuil plameniku ili korištenjem metode Czochralskog, u kojoj se prirodni mineral suspendiran iznad taline kao sjeme spušta dok ne dodirne površinu taline, a zatim se podiže i rotira. Zbog toga ispada da je kristal velik i cilindričnog oblika. Ovaj proces se još naziva i izvlačenje taline. Najtraženiji od ovih supstanci su itrijum-aluminijumski granat i Daimonair. Uobičajeno, Yttrium Aluminium Granet i Daimonair su bezbojni, ali im se može dati drugačija boja dodavanjem posebne nečistoće. Na primjer, ako dodate krom, tvar će dobiti zelenu boju i postati slična demantoidu. Sintetičku tvar od demantoida možete razlikovati po specifičnoj težini, jer supstanca ima specifičnu težinu od 4,6, dok je demantoid mnogo manja.

Hemijska formula YAG: : . Ovaj laser radi na krugu od četiri nivoa. Prvi nivo, nazvan nivo tla, odgovara minimalnoj mogućoj energetskoj vrijednosti koju joni mogu imati.

Broj jona koji imaju minimalnu energiju je najveći. Broj jona koji se nalaze na višim energetskim nivoima je primjetno manji i podliježe Boltzmannovoj ravnotežnoj raspodjeli. U laserima od neodimijum granata, niži radni nivoi su slabo naseljeni, pa se stoga najveći dio snage pumpe ne troši na stvaranje inverzije populacije (), već na prevladavanje gubitaka u šupljini i na korisno izlazno zračenje. U ovom slučaju, da bi došlo do stvaranja, dovoljno je prenijeti na nivo 3 samo mali dio jona koji se nalaze na nivou tla. Ovo razlikuje ovu vrstu lasera od lasera ​​koji rade prema shemi na tri nivoa. U potonjem, niži radni nivo je glavni nivo, a da bi se stvorila populacijska inverzija (), potrebno je prevesti najmanje polovinu jona sa glavnog nivoa na metastabilni nivo 2, a uzimajući u obzir gubitke u rezonatoru i korisno zračenje, više od polovine. Stoga se kod trostepenih lasera (na primjer, rubin) snaga pumpe troši neproduktivno i njihova efikasnost je znatno niža. Stanje sredine kada je N3>N2 naziva se populacijska inverzija energetskih nivoa. Itrij-aluminijski granat sa dodatkom neodimijuma je jedinstven materijal dobre toplotne provodljivosti, visoke tvrdoće i zadovoljavajućih optičkih svojstava. Pogodno za generiranje u sinkroniziranom modu. Dug životni vek gornjeg laserskog nivoa (t = 0,23 ms) omogućava da YAG bude veoma dobar za rad u Q-switched modu. YAG laseri mogu raditi u kontinuiranom i impulsnom režimu rada. U oba slučaja, linearne lampe se obično koriste u krugovima sa iluminatorom sa jednom elipsom, sa bliskim rasporedom lampe i kristala, ili sa iluminatorom sa više elipse. Za rad u impulsnom i kontinuiranom režimu koriste se ksenonske sijalice srednjeg pritiska (500-1500 mmHg) i kriptonske sijalice visokog pritiska (4-6 atm). Veličine štapova su obično iste kao kod rubin lasera. Izlazni parametri YAG lasera su sljedeći: u kontinuiranom multimodnom modu, izlazna snaga je do 200 W; kod impulsnog lasera sa velikom stopom ponavljanja impulsa (50 Hz), prosječna izlazna snaga je oko 500 W; u Q-switched modu maksimalna izlazna snaga je do 50 MW; u modu sinhronizacije, trajanje impulsa je do 20 ps. I u impulsnom iu kontinuiranom režimu, diferencijalna efikasnost je oko 1-3%.

24. Poluprovodnički laseri. Princip rada, vrste poluvodičkih lasera. Spektralne i generacijske karakteristike.

Poluprovodnički laseri (SSL) emituju zračenje u opsegu talasnih dužina od 0,32-32 mikrona. Kao aktivni medij koriste se poluvodički kristali. Oni koriste optičke prelaze koji uključuju slobodne nosioce struje u kristalima, tj. uključivanje država u elektronske bendove.

Poluprovodnički laseri imaju sljedeće karakteristike:

Veoma mala veličina emisionog područja,

Veoma visoka efikasnost (50-60%),

Mala snaga.

U poređenju sa poluprovodničkim i gasnim laserima, oni imaju:

Manje koherentnosti

Usmjerenost (1-6°) i

Monokromatičnost zraka (približno 5 nm).

Na osnovu metode pumpanja, poluvodički laseri se dijele na:

injekcija,

Sa pumpanim slomom u električnom polju,

Pumpan snopom brzih elektrona,

Optički pumpano

Poluprovodnički laseri rade prvenstveno u impulsnom režimu i na niskim temperaturama, što je uzrokovano potrebom za odvođenjem toplote, kao i činjenicom da se smanjenjem temperature dolazi do laserskog rada pri manjim gustoćama struje. Najrasprostranjeniji aktivni medij je galijum arsenid sa p-n spojem koji generiše zračenje talasne dužine od 0,84 μm i legura arsenida i galij fosfida. Pn spoj se pobuđuje ubrizgavanjem elektrona.

Po svojim kvalitetima, strukturi i principima rada, poluvodički laseri se razlikuju od ostalih lasera. Nivoi energije povezani s laserskim prijelazom određeni su cijelom kristalnom rešetkom. Ova stanja nisu diskretna, već su spojena u energetske zone, koje predstavljaju
grupe energetskih stanja koje se nalaze veoma blizu. Za laser su od interesa dva energetska pojasa: valencija i provodljivost.

Valentni pojas je najviše stanje ispunjeno elektronima. Provodni pojas leži iznad i odvojen je područjem energije koji se zove pojas pojasa, u kojem nema elektronskih stanja. Kada se energija apsorbuje, elektroni se kreću iz valentnog pojasa u pojas provodljivosti. Rupe ostaju u valentnom pojasu. Slično, elektron se može pomaknuti iz pojasa provodljivosti i rekombinirati s rupom u valentnom pojasu. Tokom rekombinacije, razlika u energiji se emituje kao zračenje. Elektroni se ubrizgavaju sa strane n-tipa i rekombinuju u području spoja. Kao rezultat, nastaje struja. Takvi laseri se nazivaju injekcioni laseri. Prolazak struje mora stvoriti dovoljan broj rupa i elektrona tako da zračenje generirano njihovom rekombinacijom premašuje gubitke koji su povezani s difrakcijskim izlazom svjetlosti iz aktivnog područja, prijenosom svjetlosti na prijelaznoj granici i apsorpcijom svjetlosti slobodnih nosilaca u tranzicionoj regiji. Zbog toga je potrebna granična gustina struje za rad lasera.

Poluprovodnički laseri nemaju nisku divergenciju snopa, jer se njihovo zračenje emituje kroz otvor ograničen malom širinom prijelaza. Difrakcija na uskom prelaznom pojasu rezultira izlazom zračenja pod širim uglom nego kod drugih tipova lasera. Zbog toga zračenje, na primjer, galijum-arsenidnog lasera ima oblik snopa eliptičnog poprečnog presjeka sa uglom raspršenja na nivou od 0,5, jednakim nekoliko stepeni u smjeru paralelnom s prijelazom, i velikih dimenzija u smjer okomit na prijelaz.

stroncijum titanat (fabulit)

U poređenju s rutilom, ovaj sintetički kamen je pogodniji kao zamjena za dijamant u nakitu. Potpuno je bezbojan, optički izotropan i ima indeks prelamanja (2,41) sličan dijamantu. Disperzija fabulita (0,1 - 0,2) je veća, što obezbeđuje prelepu igru ​​kada se promeni ugao upada svetlosnih zraka ili osvetljenja. Tvrdoća fabulita je 5,5 - 6,5, pa ga je preporučljivo koristiti za izradu minđuša ili privjesaka, a ne u prstenovima, gdje će se brže istrošiti.

Sinteza stroncijum titanata vrši se prema poznatoj metodi M. A. Verneuila.

Nakon uzgoja, kristali se moraju žariti u struji kisika na niskoj temperaturi. U inostranstvu industrijsku proizvodnju fabulita vrši kompanija National Ice and Co. (SAD). Fabulite se ne proizvodi u SSSR-u.

Itrijum aluminijum granat (YAG)

Itrijum aluminijum oksid (Y 3 A1 5 O 12) ima strukturu granata i češće se naziva itrijum aluminijum granat - YAG ili granetit. YAG se najčešće uzgaja metodom Czochralskog, ali dobre rezultate daje i metoda kristalizacije iz taline sa fluksom. Uslovi za sintezu YAG-a su veoma slični uslovima za uzgoj korunda.

U početku, itrijum aluminijski granat se koristio samo u tehnologiji; dodavanjem nekih lantanida (posebno neodimija) uzgajani su kristali koji se koriste u laserskoj tehnologiji: osim toga, kristali YAG služe kao supstrat u sintezi ferimagnetnih granata koji se koriste u laserskoj tehnologiji i radioelektronici.

Poslednjih godina, YAG se široko koristi u nakitu. Zahvaljujući dodatku lantanida, postalo je moguće dobiti kristale različitih boja - crvene, zelene, žute, smeđe itd., koje nema u prirodi. U inostranstvu, YAG proizvodi niz kompanija, najpopularnije su granate iz Linde (SAD).

U SSSR-u se YAG proizvodi metodom usmjerene kristalizacije, koja omogućava uzgoj savršeno pravilnih i čistih kristala.

Umjetni granat se formira na visokim temperaturama u dubokom vakuumu u posebnim aparatima. Biljka proizvodi svijetle, ružičaste, žute i zelene garnete. Vrijeme sinteze je oko 4 dana. Sprovode se istraživanja s ciljem dobivanja YAG kristala bilo koje boje - od ljubičaste i limunske do čisto plave i lila.

Litijum niobat

Litijum niobat - LiNbO 3 - je relativno mekan sintetički kamen (tvrdoća oko 5,5 po Mohsovoj skali). Zanimljiv je prvenstveno zbog svojih optičkih svojstava, što je omogućilo njegovu upotrebu u laserskoj tehnologiji. Njegov indeks loma je 2,2 -2,3, disperzija je visoka 0,12, što osigurava prekrasnu igru ​​kamena.

Kristali se uzgajaju metodom Czochralskog. Dodavanjem oksida metala prelazne grupe u talinu mogu se dobiti kristali različitih boja: pri dodavanju hrom-oksida - zelene, željeznog oksida - crvene, kobalt-oksida - plave ili plave. U SSSR-u se litijum niobat ne sintetiše.

Itrijum aluminijum granat (YAG) je optički materijal pogodan za upotrebu u UV i IR optici. YAG proizvodi se mogu koristiti kao optički elementi u širokom spektralnom području od 250-5000 nm. Mehanička i hemijska svojstva YAG-a su bliska onima safira, ali YAG nije dvostruko lomljiv i njegova obrada je nešto jednostavnija od one safira. YAG nema apsorpcione linije u području od 2 - 3 µm, gdje stakla obično imaju tendenciju da apsorbiraju zbog jakih veza molekula vode. Zbog svoje visoke čvrstoće, praga loma, indeksa prelamanja i toplotne provodljivosti, YAG se može koristiti na visokim temperaturama iu laserima velike snage.

Za našu optiku koristimo visokokvalitetne kristale, uzgojene metodom Czochralski i horizontalnom metodom po izboru kupca. Naša kompanija obavlja YAG lasersko poliranje, proizvodeći svjetlosne vodiče, prizme i ogledala.

Optička svojstva

Područje prijenosa, µm 0,21 do 5,3
Indeks loma, na 1,064 µm 1.82
Gubitak refleksije, % za dvije površine 1,064 µm 16.7%
Termooptički faktor (dT), 633 nm 7,3 * 10 -6 * K -1

Fizička svojstva

Gustina, g/cm3(20°C) 4.56
Rastvorljivost Nerastvorljivo u vodi
Vrsta materijala Sintetički monokristal
Kristalna struktura kubni
Tačka topljenja °C 1940
Toplotna provodljivost W * cm -1 * °K -1 0.14
Temperaturni koeficijent linearne ekspanzije 1/°C 7,8 x 10 -6
Specifična toplota J /(kg * K) na 0 °C 590
Dielektrična konstanta 11.7
Youngov modul (E), GPa 300
Koeficijenti elastičnosti C11 = 333
C12 = 111
C 44 = 115
granica elastičnosti MPa 280
Mohsova tvrdoća ~8,5


Itrijum aluminijski granat dopiran neodimijumom (Y 3 A 15 O 12:Nd 3+)

Itrijum aluminijumski granatneodimijum dopiran ( Y 3 A 15 O 12:Nd 3+) je laserski kristal koji se široko koristi u industrijske, medicinske i naučne svrhe. Njegove glavne prednosti su: nizak prag proizvodnje, visoka efikasnost, mali gubici na 1.064 µm, kao i visok optički kvalitet, dobra toplotna provodljivost i otpornost na temperaturne promene, stabilna hemijska i mehanička svojstva, što omogućava upotrebu Nd:YAG u svim vrstama lasera u čvrstom stanju.

Svojstva
Hemijska formula Nd 3+ :Y 3 Al 5 O 12
Kristalna struktura Cubic
Koncentracija legure, at.% 0.5 - 1.2
Konstanta rešetke, A 12.01
Gustina g/cm3 4.56
Tačka topljenja, °C 1950
Dielektrična konstanta 11.7
Tvrdoća mahovine 8.5
7,8 x 10 -6 x °K -1 ,<111>
8,2 x 10 -6 x °K -1 ,<100>
Toplotna provodljivost 25°C, Š x cm -1 x °K -1 0.14
Koeficijent gubitka na 1064 nm, cm -1 0.003
Indeks loma, na 1 µm 1.82

Specifikacija Nd:YAG laserskih štapova

Materijal Itrijum aluminijski granat dopiran neodimijumom
Nivo legure 0.5 - 2.3 %
Alloy spread +/- 0.1 %
Orijentacija <111>
Tolerancija orijentacije +/-5º
Tolerancija prečnika +/- 0,05 mm
Tolerancija dužine +/- 0,5 mm ili prema potrebi
Konkurencija
Perpendikularnost
Izobličenje talasnog fronta Lambda/8 po inču na 633 nm
Ravnost Lambda/10 na 633 nm ili prema zahtjevu kupca
Scratch dots 10-5 MIL – 13830B
Bočna površina Brušeni ili polirani
Svetlosni otvor blende 90% centralni dio
Chamfers <0.15 мм x 45º
Premazi AR premaz R<0.2% с поверхности на1064 nm или по требованию заказчика

Dodatno, ARD-OPTIX nudi usluge popravke
(ponovno poliranje i premazivanje) laserskih elemenata kupca

Itrijum aluminijumski granat dopiran erbijem (Er:Y 3 Al 5 O 12 ili Er:YAG)

Itrijum aluminijumski granat dopiran erbijem ( Er:Y 3 Al 5 O 12 ili Er:YAG) je laserski kristal koji ima široke prednosti kada se koristi na talasnoj dužini 2,94 µ . Er:YAG ima visok optički kvalitet, visoku efikasnost, dobra toplotna provodljivost, stabilna hemijska i mehanička svojstva. Er:YAG se pumpa na širokom području 600 - 800 nm. Sva ova svojstva čine Er:YAG Odličan materijal za zubne i druge medicinske lasere.

Osnovna svojstva
Hemijska formula Er:Y 3 Al 5 O 12
Kristalna struktura Cubic
Koncentracija legure, at.% 1 - 50%
Konstanta rešetke, A 12.00
Gustina, g/cm3 5.35
Tačka topljenja, ºC 1970
Dielektrična konstanta 11.7
Tvrdoća mahovine 8.5
.Koeficijent toplinske ekspanzije 7,7 x 10-6 x ºK-1,<111>8,2 x 10-6 x ºK-1,<100>
Toplotna provodljivost na 25ºC, W x cm-1 x ºK-1 0.12
Koeficijent gubitka na 1064 nm, cm-1 0.003
Talasna dužina zračenja, nm 2940
Indeks loma, na 2940 nm 1.79

Specifikacija Er:YAG laserskih štapova

Materijal Itrijum aluminijumski granat dopiran erbijem
Nivo legure 1 - 50 %
Orijentacija <111>
Tolerancija orijentacije +/-5º
Tolerancija prečnika +/- 0,05 mm
Tolerancija dužine +/- 0,5 mm ili prema zahtjevu kupca
Konkurencija
Perpendikularnost
Izobličenje talasnog fronta Lambda/8 po inču na 633 nm
Ravnost Lambda/10 na 633nm ili prema zahtjevu kupca
Tačke ogrebotina 10-5
Bočna površina Brušeni ili polirani
Svetlosni otvor blende 90%
Chamfers <0.15 mm x 45º
Premazi AR premaz sa R<0.25 % на 2940 нм или по требованию заказчика

Dodatno, ARD-OPTIX nudi usluge popravke
(ponovno poliranje i premazivanje) laserskih elemenata kupca

Itrijum-aluminijumski granat dopiran iterbijem (Yb: Y 3 Al 5 O 12 ili Yb:YAG)

Itrijum-aluminijski granat dopiran iterbijem (Yb: Y 3 Al 5 O 12 ili Yb:YAG) jedan je od obećavajućih laserskih aktivnih materijala i pogodniji je za pumpanje dioda u odnosu na tradicionalne Nd granati. Može da generiše na talasnoj dužini od 1,03µ kada se pumpa na 940 nm. Glavne prednosti Yb:YAG: širok opseg apsorpcije, visoka efikasnost i odlična emisija. Yb:YAG laserski materijal se široko koristi u industrijskim laserima za rezanje i zavarivanje metala. Ovaj kristal se također koristi u elektronici, optici i laserskim tehnologijama.

Osnovna svojstva
Hemijska formula Yb 3+ :Y 3 Al 5 O 12
Kristalna struktura kubni
Koncentracija dopinga, at.% 5 - 30 %
Konstanta rešetke, A 12.01
Gustina g/cm3 4.56
Tačka topljenja, °C 1970
Tvrdoća mahovine 8.5
Koeficijent toplinske ekspanzije 7,8 x 10 -6 x °K -1 ,<111>
Toplotna provodljivost25°C, Š x cm -1 x °K -1 0.14
Koeficijent gubitka na 1064 nm, cm -1 0.003
Talasna dužina lasera, nm 1030
Indeks loma, po 1 µ 1.82

Specifikacija Yb:YAG laserskih štapova

Materijal Itrijum-aluminijumski granat dopiran iterbijem
Nivo legure 5 - 30 %
Orijentacija <100>
Tolerancija orijentacije +/-5º
Tolerancija prečnika +/- 0,05 mm
Tolerancija dužine +/- 0,5 mm ili prema zahtjevu kupca
Paralelizam
Perpendikularnost
Izobličenje talasnog fronta Lambda/8 po inču na 633 nm
Ravnost Lambda/10 na 633 nm ili prema zahtjevu kupca
Scratch dots 10-5
Bočna površina Brušeni ili polirani
Svetlosni otvor blende 90% centralna regija
Chamfers <0.15 мм x 45º
Premazi AR premaz sa R<0.25% с поверхности на требуемой длине волны

Dodatno, ARD-OPTIX nudi usluge popravke
(ponovno poliranje i premazivanje) laserskih elemenata kupca

Jedan od najčešće korištenih lasera u čvrstom stanju danas je laser u kojem itrijum aluminij granat služi kao matrica, a joni kao aktivator. Prihvaćena oznaka za ovaj laser je

Laser ima relativno nizak prag pobude i visoku toplotnu provodljivost, što omogućava generisanje lasera sa velikom brzinom ponavljanja impulsa, kao i laserski rad u kontinuiranom režimu. Efikasnost lasera je relativno visoka; dostiže nekoliko procenata.

Glavni prijelazi neodimijum jona u granatu prikazani su na sl. 1.16. Prijelazi se događaju između određenih atomskih čestica, koje su na slici prikazane kao "energetske trake". Svaki „opseg“ (svaki pojam) odgovara grupi relativno uskih energetskih nivoa koji su rezultat cijepanja datog pojma u električnom polju kristalne rešetke granata (Starkovo cijepanje).

Tokom procesa pumpanja, joni neodimijuma prelaze iz osnovnog stanja koje odgovara terminu u tri grupe stanja: A, B, C. Grupa A odgovara terminima, grupa B - termini i grupa B - te tri grupe stanja odgovaraju trima trakama u apsorpcionom spektru neodimija u granatu,

prikazano na sl. 1.17, a (A-, B- i C-opsezi, respektivno). Fina struktura apsorpcionih traka, jasno vidljiva na slici, odražava efekat Starkovog cijepanja pojmova.

Termin je gornji radni “nivo”. Joni neodimijuma su osvijetljeni, krećući se sa ovog "nivoa" na nivoe koji odgovaraju termama. Glavni udio energije (60%) se prikazuje u prijelazima, uobičajeno je uzeti u obzir nivoe koji odgovaraju pojmu na Sl. prikazan je spektar luminiscencije neodimijuma u granatu za prelaze. Spektar sadrži 7 linija; najintenzivnije linije su 1,0615 i 1,0642 µm. U tabeli 1.1 prikazuje talasne dužine za 18 luminescentnih linija, uzimajući u obzir različite prelaze 114]; podaci su dobijeni na temperaturi od 300 K. U pojednostavljenom prikazu lasera može se koristiti četvorostepena radna šema; glavni “nivo” - pojam 4/9/2, donji radni “nivo” - pojam gornji radni “nivo” - termin “nivo” pobude - pojmovi i Imajte na umu da su prelazi zabranjeni u dipolnoj aproksimaciji (optički zabranjeni), jer sa takvim prijelazima orbitalni kvantni broj neodimijum jona mijenja se na 3; prema tome, stanja koja odgovaraju -termovima su metastabilna.


Top