Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
- расплав ускоряют рост кристалла, а впадины - замедляют, так как находятся в контакте с более переохлажденным расплавом. В результате примеси и включения оттесняются во впадины и затем захватываются кристаллом. Кристалл растет в виде сростка параллельных столбиков. Таким образом возникает ячеистая структура. Снижению вероятности образования ячеистой структуры способствует повышение градиента температуры, так как это сглаживает фронт кристаллизации. В частности, в ИАГ ячеистая структура обычно возникает при grad Г < 200 К/м.
Примеси
Вхождение примеси в ионный кристалл с замещением ионом примеси иона матрицы определяется двумя основными факторами:
1) зарядами ионов примеси и замещаемых ими ионов матрицы;
2) соотношением ионных радиусов этих ионов.
Образование примесями твердых растворов в кристаллической
матрице возможно только при сохранении кристаллом электронейтральности, для чего необходимо, чтобы сумма зарядов замещающих ионов равнялась сумме зарядов замещаемых ионов. Правило элек-
45
тронейтральности есть частный случай общего принципа компенсации валентности, который относится не только к чисто ионным кристаллам, но и к кристаллам с ионно-ковалентным и ковалентным типом связи. При несовпадении валентности примеси и замещаемого иона матрицы (иновалентная примесь) вхождение примеси в кристалл определяется возможностью компенсации возникающих при этом зарядов. Обычно компенсация заряда происходит путем локализации вблизи иона примеси дефектов ионной и электронной подсистем кристалла. Здесь проявляется различие между полупроводниками и диэлектриками: диэлектрическими можно называть те кристаллы, в которых заряд примесей компенсируется, в основном, дефектами ионной подсистемы, а полупроводниками - кристаллы, в которых компенсация заряда (валентности) примеси осуществляется за счет дефектов электронной подсистемы (электронов и дырок).
Компенсация заряда, особенно если она происходит с образованием дефектов кристаллической решетки, сопряжена с искажениями кристаллического поля и, следовательно, с ухудшением огггических характеристик ионов-активаторов. Поэтому активаторами практически важных кристаллов являются примеси, заряд которых совпадает с зарядом замещаемого ими иона матрицы (гомовалентные примеси). Такими примесями являются и Сг3+, замещающий А13+ в рубине, и Nd3+, замещающий Y3+ в гранате и алюминате иттрия. Использование для активации практически важных лазерных кристаллов гомо-валентных примесей снимает проблемы, связанные с возникновением локальных зарядов и необходимостью их компенсации. В этом случае основные особенности поведения примеси связаны с размерными факторами. Ионы редких земель, имеющие для координационного числа 6 ионные радиусы от 0,101 (Се3+) до 0,086 нм (Lu3+), для кислородно-октаэдрических решеток являются относительно «большими». Ионы переходных металлов размером около 0,06 нм являются «маленькими» и могут размещаться в кислородных октаэдрах. Поэтому ионы переходных металлов и, в частности, Сг3+, легко входят в структуру АЬОз, ИАГ и ИАП, изоморфно замещая ионы А13+. Поскольку ионный радиус хрома (0,065 нм) несколько больше, чем ионный радиус алюминия, искажения плотнейшей упаковки ионов кислорода при легировании АЬОз хромом возрастают, что сопровождается ростом параметра решетки. В структуре АЬОз нет позиций, подходящих для ионов редких земель, поэтому редкоземельные ионы не могут использоваться для легирования этого кристалла. Проблема легирования осложняется способностью ряда примесей участвовать в процессах переноса заряда, меняя валентность и существуя в кристалле в нескольких валентных состояниях. Эти процессы приводят к образованию различных центров, структура и свойства которых влияют как на электронные переходы в самих ионах примеси, так и на образование центров дополнительной окраски.
46
Все примеси, присутствующие в лазерных кристаллах, можно разделить на три основные группы:
1. Примеси-активаторы, т.е. примеси, прямо определяющие рабочие характеристики кристаллического активного элемента.
2. Примеси-соактиваторы, вводимые в кристалл как сенсибилизаторы для повышения эффективности передачи энергии возбуждения активатору либо как соактиваторы, которые добавляют для облегчения процесса вхождения в кристалл активатора и повышения его концентрации в кристалле.
3. Случайные примеси, неконтролируемо входящие в кристалл при выращивании.
Основными ионами-активаторами являются редкие земли и переходные металлы, что определяется возможностью внутрицентровых оптических переходов на внутренних недостроенных оболочках в этих ионах.
Редкие земли Легированию лазерных кристаллов редкими землями посвящено большое число работ [14 - 20]. Некоторые свойства ионов редких земель приведены в табл. 2.3. Оптические переходы происходят на внутренних ^-оболочках. Внешние 5s и 6р оболочки экранируют оболочку 4/ от воздействия внешнего кристаллического поля, и положение энергетических уровней этих ионов практически
Таблица 2.3. Свойства ионов редких земель
№ элемента Ион Терм нона Me3* Излучательный переход Длина волны генерации Рабочая температура Т, К Ионный радиус, нм
