3. Гранаты

Применение гранатов в современной квантовой электронике существенно расширилось, что объясняется удачным сочетанием их механических, теплофизических и оптических свойств. Этот класс материалов представляет более 30 различных по составу кристаллических матриц, лазерные свойства которым придают два иона группы железа (Cr³⁺ и Ni²⁺) и шесть редкоземельных ионов (Nd³⁺; Dy³⁺; Ho³⁺; Er³⁺; Tm³⁺ и Yb³⁺).

Наибольшее значение как активный лазерный материал получил иттрийалюминиевый гранат Y₃Al₅O₁₂, легированный неодимом, который является основным материалом промышленных твердотельных лазеров, работающих в непрерывном режиме или в режиме с большой частотой повторения импульсов. Кристалл иттрийалюминиевого граната (ИАГ) оптически изотропен.

Рис. 3. Структура Y₃Al₅O₁₂

Монокристаллы ИАГ для лазеров могуть быть выращены из раствора в расплаве, методом Вернейля, гидротермальным методом и методом Чохральского. Большие кристаллы, длиной до 100 мм, вырашивают методом Чохральского в иридиевых тиглях при температуре 2000 ^оС.

Кристаллы ИАГ нерастворимы в кислотах H₂SO₄, HCl, HNO₃ и HF, но при температуре выше 250 ^оС растворяются в H₃PO₄. Нелегированные кристаллы ИАГ бесцветны. По твердости они лишь незначительно уступают корунду.

Нелегированные кристаллы ИАГ прозрачны в широкой области спектра от ультрафиолетовой области(0,2…0,3 мкм) до инфракрасной (прибл. 4 мкм).

К недостаткам ИАГ относится низкий коэффициент вхождения ионов Nd³⁺ , что затрудняет получение кристаллов больших размеров с равномерным распределением активатора. Поэтому проводится интенсивный и весьма успешный поиск новых сред со структурой граната, обладающих такими же удачными сочетаниями физико-химических и спектрально-генерационных свойств, что и ИАГ, но лишенных присущих ему недостатков. Обнадеживающие результаты в этом направлении получены на галлиевых гранатах (ГГ), в частности, на редкоземельных галлиевых гранатах (РЗГГ) и на "смешанных гранатах".

Редкоземельные галлиевые гранаты имеют удовлетворительные механические и теплофизические свойства. Кристаллы РЗГГ более технологичны, чем ИАГ: они имеют более низкие температуры плавления.

Показатели преломления РЗГГ сравнительно слабо отличаются между собой, несмотря на большое разнообразие в составах.

Кроме гранатов, активированных редкоземельными ионами, большое внимание в последнее время уделяется кристаллам РЗГГ с хромом. Это обусловлено двумя факторами: 1) реализацией донорных способностей Cr³⁺ ка к иона-сенсибилизатора и 2) возможностью получения перестраиваемой генерации на электронно-колебательных переходах хрома при комнатной температуре.

4. Вольфраматы и молибдаты

Типичным представителем этого класса соединений является вольрамат кальция (шеелит).

Шеелиты имеют сравнительно благоприятные физико-химические и технологические свойства. Они устойчивы на воздухе, почти нерастворимы в воде. Механическая прочность и термостойкость их несколько ниже, чем у рубина и иттрийалюминиевого граната. Вольфраматы и молибдаты характеризуются сравнительно высокой химической стойкостью. Их кислот на CaWO₄ действуют при нагревании соляная и фосфорная. Вольфрамат кальция растворяется в расплавах некоторых солей щелочных металлов.

Кристаллы шеелита и ему подобные выращивают методом Чохральского либо из расплавов солей. Кристаллы вольфрамата кальция, выращенные по методу Чохральского, вследствие возникающих в процессе роста напряжений, довольно хрупкие. Поэтому синтезированные кристаллы подвергают отжигу на воздухе при температуре 1250 ^оС с течение нескольких десятков часов. В качестве активаторов вводят редкоземельные элементы, которые замещают ионы Ca²⁺ .

твердотельный лазер кристалл импульсный

Рис. 4. Кристаллическая решетка шеелита (CaWO₄)