Серійний спосіб вирощування кристалів галій-скандій-гадолінових гранатів для пасивних лазерних
Власники патенту UA 2324018:
Винахід відноситься до технології вирощування кристалів для пасивних лазерних затворів, що використовуються в сучасних лазерах, що працюють в ІЧ області спектра. Серийный способ выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов осуществляют методом Чохральского из расплава исходной шихты, представляющей собой полученный методом твердофазного синтеза галлий-скандий-гадолиниевый гранат конгруэнтно плавящегося состава с добавками оксида магния и оксида хрома, обеспечивающими концентрацию катионов хрома и магния в расплаве при вирощуванні першого кристала по 2,0×l0 20 -2,6×l0 20 атомів/см 3 при тиску в камері 1,3-2,0 атм в середовищі аргону і вуглекислого газу з об'ємною часткою останнього в газовій суміші 14-17 %, причому при другому, третьому та подальших вирощуваннях в тигель додають кількість вихідної шихти, що дорівнює вазі попереднього кристала, склад якої в частині катіонів хрому і магнію визначають за формулою (CCr×СMg)/10 20 =0,5÷2 при СCr не менше 5×10 19 атомів/см 3 . Отримані з вирощених кристалів пасивні лазерні затвори забезпечують необхідний режим модуляції добротності у безперервному та імпульсному режимах роботи в діапазоні довжин хвиль 1,057-1,067 мкм.
Винахід відноситься до технології пасивних лазерних затворів для сучасних лазерів, що використовуються в оптичних та оптоелектронних приладах, наприклад, лазерних далекомірах, що працюють у ближній ІЧ-області спектру. Також може бути використано при отриманні люмінесцентних і фото- та катодохромних матеріалів на основі галій-скандій-гадолінових гранатів та інших монокристалів з багатокомпонентних оксидів, що містять оксидигалію та хрому.
Відома технологія пасивних затворів з кристалів алюмоіттрієвого гранату, легованого ванадієм, де в якості вихідної шихти використовують суміш оксидів металів стехіометричного складу граната, яку сплавляють при температурі 1970°С в середовищі азоту з добавкою кисню. атмосфері (Mierczyk Z., Frukacz Z., OPTO-ELECTRONIC REVIEW, v 8, (1), 2000, p.67-74). У цьому дослідженні відсутні дані серійного вирощування кристалів для пасивних затворів. Авторам невідомі роботи, присвячені цій темі.
Завданням пропонованого технологічного рішення є удосконалення способу отримання пасивних лазерних затворів для роботи в діапазоні довжин хвиль 1,057-1,067 мкм, що забезпечують необхідний режим модуляції добротності в безперервному і імпульсному режимах роботи в частині вирощування кристалів з суміші оксидів металів, що полягає в -гадолинієвих гранатів, легованих катіонами хрому, з використанням залишку вихідної шихти в тиглі і, як наслідок, економія дорогої шихти з високочистих оксидів металів, а також спрощення та скорочення технологічного циклу на стадії вирощування кристалів та всієї технології в цілому.
Поставлена технологічна мета досягається в серійному способі вирощування кристалів галій-скандій-гадолінієвих гранатів для пасивних лазерних затворів методом Чохральського з розплаву вихідної шихти, що містить суміш оксидів металів, що являє собою отриманий методом твердофазного синтезу галій-скандій ня і оксиду хрому, що забезпечують концентрацію катіонів хрому тамагнію в розплаві при вирощуванні першого кристала по 2,0-2,6×10 20 атомів/см 3 при цьому вирощування кристала здійснюють при тиску в камері 1,3-2,0 атм в середовищі аргону і вуглекислого газу з об'ємною часткою останнього у газовій суміші 14-17%, причому при другому, третьому та наступних вирощуваннях в тигель додають кількість вихідної шихти, що дорівнює вазі попереднього кристала, склад якої в частині катіонів хрому і магнію визначають за формулою (CCr×CMg/10 20 =0,5 ÷2 при СCr не менше 5×10 19 атомів/см 3 .
Сутність винаходу полягає в наступному: пасивні лазерні затвори з галій-скандій-гадолінових гранатів, легованих катіонами хрому, використовуються в лазерах на довжині хвилі генерації активного елемента на основі неодиму (1,057-1,067 мкм) для забезпечення необхідного режиму модуляції роботи приладу. На стадії вирощування кристалів галій-скандій-гадолінових гранатів, легованих катіонами хрому, була відсутня технологія вирощування серіями, без повної заміни вихідної шихти, т.к. через високу леткість оксиду галію при високих температурах змінювався склад гранату як на стадії синтезу, так і на стадії вирощування кристала з розплаву. Відсутність прямої залежності кількості легуючої добавки у вигляді катіонів (Cr 4+ ) в кристалі і в розплаві від концентрації катіонів хрому за рахунок різноманіття катіонних форм хрому не дозволяло розрахувати необхідну кількість оксидів металів і легуючої добавки для відшкодування їх недоліку в розплаві для вирощування та отримання з них пасивних лазерних затворів. Узагальнюючи технологічну задачу, можна сказати, що необхідно створити та підтримувати умовну «матеріальну» рівновагу розплав-кристал-добавка, в частині інгредієнтів,серії з п'яти вирощування, що є оптимальним варіантом.
Зазначені проблеми усуваються тим, що використовують вихідну шихту галій-скандій-гадолінієвих гранатів конгруентного складу з добавками оксиду магнію та оксиду хрому, що забезпечують концентрацію катіонів хрому СCr та магнію CMg у розплаві по 2×0 20 -2,6×l0 3 . Цей інтервал концентрацій даних катіонів у шихті забезпечує необхідну концентрацію катіонів хрому при вирощуванні першого кристала. Далі синтезують гранат методом твердофазного синтезу, вирощування кристалів здійснюють серед аргону і вуглекислого газу, об'ємна частка останнього 14-17% в газовій суміші. Тиск у камері може змінюватись від 1,3 до 2 атм. При тиску в камері менше 1,3 атм різко змінюється, через високу летючість галію, склад розплаву, що зумовлює утворення другої фази кристалі. При тиску понад 2 атм. змінюються температурні градієнти над поверхнею розплаву, кристалі з'являються тріщини. При другому, третьому і подальших вирощуваннях в тигель додають вихідну шихту в кількості, що дорівнює вазі попереднього кристала, склад якої в частині катіонів хрому і магнію визначається як (CCr×CMg)/10 20 і значенням від 0,5 до 2 при СCr не менше 5×10 19 атомів/см 3 де СCr, CMg - концентрація катіонів хрому і магнію в розплаві.
Добавка по вазі, що дорівнює попередньому кристалу, забезпечує ідентичність початкових умов для вирощування кристалів і матеріальний баланс від вирощування до вирощування. Дане співвідношення концентрацій катіонів хрому і магнію в добавці дозволяє підтримувати необхідну концентрацію катіонів (Cr 4+ ) у розплаві при другому, третьому та наступних вирощуваннях до п'ятого, а відповідно і кристалі. Поведінка наступних вирощування нерентабельні, з-через велику кількість іридію (матеріал тигля) у розплаві.
Використання запропонованих технологічних параметрів для серії з п'яти вирощувань кристалів галій-скандій-гадолінієвих гранатів, легованих хромом, забезпечує отримання придатних кристалів для виготовлення пасивних лазерних затворів, що працюють в діапазоні довжин хвиль 1.057-1,067 мкм і забезпечують необхідний режим модуляції. роботи.
Як приклад наведено дві серії вирощування кристалів галій-скандій-гадолінієвого гранату, легованих катіонами хрому, з коефіцієнтом поглинання 4,8-5,9 см -1 на довжині хвилі 1,067 мкм. З кристалів після різання, шліфування, полірування та нанесення покриття, що просвітлює, були отримані атестовані пасивні лазерні затвори з коефіцієнтом поглинання 12-32% на довжині хвилі 1,067 мкм діаметром 7 і 8 мм.
Серійний спосіб вирощування кристалів галій-скандій-гадолінієвих гранатів для пасивних лазерних затворів методом Чохральського з розплаву вихідної шихти, що являє собою отриманий методом твердофазного синтезу галій-скандій-гадолінієвий гранат конгруентно плавного складу з добавками оксиду та магнію у розплаві при вирощуванні першого кристала по 2,0·10 20 -2,6·10 20 атомів/см 3 при цьому вирощування кристала здійснюють при тиску в камері 1,3-2,0 атм в середовищі аргону і вуглекислого газу з об'ємною часткою останнього в газовій суміші 14-17%, причому при другому, третьому та подальших вирощуваннях в тигель додають кількість вихідної шихти, що дорівнює вазі попереднього кристала, склад якої в частині катіонів хрому і магнію визначають за формулою (CCr·CMg)/10 20 = 0,5÷2, при СCr щонайменше 5·10 19 атомів/см 3 .