Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
В нашей стране выращиванием рубина первым занялся В.В.Ильин, работавший до 1914 г. в Париже в лаборатории Вернейля. В послевоенные годы в России было создано крупное производство рубина, полностью обеспечившее потребности приборостроения, а с 1962 г. и квантовую электронику. Значительные успехи в выращивании рубина и лейкосапфира были достигнуты в Институте кристаллографии АН СССР под руководством Х.С.Багдасарова, применившего для выращивания рубина метод направленной кристаллизации. Методы получения и свойства рубина подробно описаны в книге М.В.Клас-сен-Неклюдовой и Х.С.Багдасарова [3].
Из диаграммы состояния АЬОз - Y2O3 (рис. 2.1) видно, что в этой системе образуется несколько устойчивых соединений [4]. Конгруэнтно плавящееся соединение Y4AI2O9 имеет по крайней мере две полиморфные модификации, отличающиеся положением отдельных структурных групп при сохранении общей симметрии. Обратимое полиморфное превращение предположительно происходит при 1300 К. Низкотемпературная модификация соединения Y4AI2O9 является оптически двуосной и принадлежит к триклинной сингонии. Это соединение не находит пока практического применения в квантовой электронике.
Соединение Y3AI5O12 имеет структуру граната. Оно плавится при 2200 ± 20 К и не имеет полиморфных превращений. Это во многом обеспечивает технологичность кристалла, возможность получения иттрий-алюминиевых гранатов (ИАГ) больших размеров с высокими оптическими свойствами.
Соединение YAIO3 имеет орторомбическую модификацию и структуру, близкую к структуре перовскита - иттрий-алюминиевый перовскит (ИАП). Это соединение устойчиво в интервале температур 2008...2048 К и плавится с разложением на твердую фазу 2Y2O3 -АЬОз и жидкость. Охлаждение ниже 2008 К при равновесии приводит YAIO3 к распаду на Y4AI2O9 и Y3AI5O12. В метасгабильном состоянии эвтектика YAIO3 - Y3AI5O12 может переместиться в область состава YAIO3, что создает возможность кристаллизации ИАП из расплава YAIO3. Кристаллы этого состава, впервые полученные Х.С.Багдаса-ровым [5] и Вебером [6], приобретают в последнее время все большее значение как материал для лазеров благодаря большей, чем ИАГ
31
т
гогв то
Рис. 2.1. Диаграмма состояния системы УгОз - AI2O3:
I - жидкость (расплав); 2 - (Y2O3 + AhOj); 3 - (2Y2O3 ¦ AI2O3 + 3 Y2O3 • SAhCh); 4 - (3 Y2O3 ¦ ¦ AI2O3 + а - AI2O3); 5 - (2УзОз • AI2O3 + ЗУгОз • 5AI2O3); 6 - (жидкость + 2Y2O3 ¦ AI2O3); 7 - (жидкость + ЗУгОз • 5А1гОз)
технологичности (меньшая температура кристаллизации, более высокие скорость роста и коэффициент вхождения примеси неодима).
Кристаллы соединений, образуемых оксидами АЬОз и Y2O3, наилучшим образом удовлетворяют всему комплексу требований, предъявляемых к лазерным кристаллам. Легирование этих кристаллов примесями Сг и Nd позволяет получать лазерные материалы, обеспечивающие высокий к.п.д. при больших выходных энергиях и относительно низких порогах генерации. Это оказывается возможным благодаря уникальным свойствам этих кристаллов (табл. 2.1). В частности, теплопроводность кристаллов соединений АЬОз - Y2O3 близка к теплопроводности металлов [например, для стали ЭИ868 теплопроводность равна 0,09, для инвара 0,11 Вт/(см град)]. Коэффициенты линейного расширения кристаллов близки к коэффициентам линейного расширения стали (а = 11 • 106 град1). Твердость кристаллов превосходит твердость кварца и по шкале Мооса составляет 9 для рубина и
8,5 для граната. Это позволяет добиваться высокого качества поверхности и предохраняет ее от повреждений при случайных воздействиях, в частности - пыли, состоящей в основном из кварца.
Поскольку для практического применения эти кристаллы выращиваются из расплава, то возникают некоторые трудности, связан-
32
Таблица 2.1. Основные свойства кристаллов соединений YjOj -AIjOj
Свойство Y2Oj YAlOj AljOj
Симметрия - - laid тЗт R3c 3 т
Параметры решетки, нм - а = 0,5179 Ъ = 0,5329 1,2005 с = 1,2954 а = 0,4747
Молекулярная масса, г/см3 - - 5,937 -
Температура плавления, “С 2430 1850 1950 2030
Удельная теплоемкость, Дж/(г' • град) - 0,42 0,58 0,75
Теплопроводность, Вт/(см град) 0,27 0,11 0,13 0,18
Тепловое расширение 10-6, град-' 6...1 9,S II а 4,3 Н Ь 10,8 Не 8,2 6,6 II с 5 II а II b
Твердость (по Моосу) 8 8 8,5 9
Диэлектрическая проницаемость (293 К) - ~ 11,7 8,6 II с 10,5// а IIЪ
Показатель преломления 1,9296 (Ь) 1,9487 (а) 1,9250 (с) 1,83 пе = 1,767 ио= 1,764
Область прозрачности, мкм Концентрация примеси-активатора, % (ат.): - - 0,24...6 0,17...6,5
Nd5+ - 1,5 1,1 -
Сг - - - 0,03
Коэффициент распределения примесн - 0,9 0,18 -
ные с их высокой температурой плавления. В качестве материала контейнеров для этих соединений могут быть применены только металлы с температурой плавления, превышающей 2600...2700 К. Наиболее подходящий для этих целей иридий весьма дорог, а применение таких металлов, как молибден или вольфрам, создает проблемы, связанные с возможностью реакции этих металлов с атмосферой и кислородом, входящим в состав соединений. В современных условиях при выращивании кристаллов методом Чохральского применяется в основном иридий, а при выращивании методом направленной кристаллизации молибден.
