Алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом Y3Al5O12:Nd3+ (Nd:YAG)
Алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом (Nd:YAG), – наиболее распространненая твердотельная активная среда, имеющая три основных лазерных перехода на длинах волн 1064, 1319, 946 нм.
Концентрация неодима в элементах YAG составляет порядка 0,2–1,4 %.
Алюмоиттриевый гранат дополнительно легируют церием, ионы которого расширяют спектр поглощения излучения накачки и эффективно передают энергию накачки ионам неодима.
Алюмоиттриевый гранат, легированный гольмием, тулием и хромом, генерирует излучение с безопасной для зрения длиной волны 2,1 мкм, что позволяет эффективно применять его в медицине.
Основные преимущества активных элементов на Се:Nd:YAG
Низкий порог генерации
Высокая эффективность
Устойчивость к УФ-излучению
Хорошая температурная стабильность
Высокие оптические качества материала
Ванадат иттрия, легированный неодимом
YVO4:Nd3+ (Nd:YVO)
Ванадат иттрия – уникальный материал для создания лазеров с диодной накачкой (генерирует излучение с длинами волн
1064, 1342, 914 нм).
По сравнению с гранатами ванадаты при диодной накачке гораздо лучше поглощают излучение лазерных диодов и обладают большим сечением усиления.
Кристалл ванадата двулучепреломляющий, что значительно снижает термически наведенные поляризационные потери в лазерах высокой мощности.
Из-за очень большого усиления лазеры на ванадате обладают очень низким порогом генерации.
Ванадаты очень хорошо подходят для создания лазеров с пассивной синхронизацией мод с высокой частотой следования импульсов до 160 ГГц.
Ванадаты широко используются с нелинейными кристаллами для получения гармоник высшего порядка, вплоть до УФ.
Ниобат и танталат лития – кристаллы с относительно сильной квадратичной нелинейностью, часто используются для преобразования частоты и в электрооптических модуляторах.
Ниобат калия KNbO3 
Титанил-фосфат калия
KTiOPO4 (KTP)
Ниобат калия имеет высокую нелинейность, используется для удвоения частоты до голубых длин волн.
Эти кристаллы имеют достаточно высокий предел допустимой плотности мощности излучения и высокий коэффициент квадратичной нелинейности.
Близкими свойствами обладают также кристаллы KTiOAsO4 (KTA), RbTiOPO4
(RTP), RbTiAsPO4 (RTA).
Дигидрофосфат калия
KH2PO4 (KDP) и ди-
дейтерофосфат калия
KD2PO4 (DKDP)
Нелинейные кристаллы на основе боратов LiB3O5 (LBO), CsLiB6O10 (CLBO), BiB3O6 (BIBO), CsB3O5 (CBO)
Кристаллы фосфатов калия имеют высокую однородность и высокий порог допустимой плотности мощности, однако малый нелинейный коэффициент преобразования.
Бораты используют в основном для преобразования длины волны (для получения весьма малых длин волн, вплоть до ультрафиолета).
LBO и BBO также используются в качестве широко перестраиваемых оптических параметрических осцилляторов и оптических параметрических чирп-усилителей.
243
Фтористый кальций
Фтористый кальций CaF2 – твердый, хрупкий кристалл, обладает выраженной анизотропией механических свойств.
Фтористый кальций используется для производства оптических деталей ультрафиолетовой и инфракрасной микроскопии, оптических окон, оптических линз и призм в ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии. Область пропускания
0,15–9,0 мкм.
В зависимости от рабочей области спектрального пропускания установлены три марки оптического фтористого кальция: ФК-У, ФК-В, ФК-И.
Фтористый кальций ФК-У полностью удовлетворяет требованиям к проходной оптике систем ультрафиолетовой микрофотолитографии (рабочая длина волны 193 нм).
Длина волны, мкм |
0,19 |
0,21 |
0,25 |
0,33 |
0,41 |
0,88 |
2,65 |
3,90 |
5,00 |
6,20 |
7,00 |
8,22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показатель преломления |
1,51 |
1,49 |
1,47 |
1,45 |
1,44 |
1,43 |
1,42 |
1,41 |
1,40 |
1,38 |
1,36 |
1,34 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
244
Плотность, г/см3 |
3,18 |
Твердость по Моосу |
6,0 |
Область пропускания, |
0,13–10,0 |
мкм |
|
Фтористый барий, как и фтористый кальций, применяют в выходных окнах химических лазеров, так как он удачно сочетает высокую химическую устойчивость к рабочим смесям с высокой лучевой прочностью к излучению в диапазоне 2–5 мкм при характерных для химических лазеров длительностях импульса 5 мкс.
Кристаллы фтористого бария (BaF2) прозрачны в спектральном диапазоне от 0,14 до 14,0 мкм и широко используются в оптике в связи с развитием лазеров на CO2.
Длина волны, мкм |
|
0,26 |
0,30 |
0,36 |
0,48 |
0,85 |
3,24 |
5,14 |
6,50 |
8,0 |
8,60 |
9,20 |
9,80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показатель преломления |
1,51 |
1,50 |
1,49 |
1,48 |
1,47 |
1,46 |
1,45 |
1,44 |
1,43 |
1,42 |
1,41 |
1,40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Плотность, г/см3 |
|
4,83 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Твердость по Моосу |
|
3,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Область пропускания, |
0,18–12,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мкм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
245
Монокристаллы фторида лития используются для изготовления высокоэффективных (КПД 80 %) лазеров на центрах свободной окраски (лазер F−2:LiF дает инфракрасное излучение с длиной вол-
ны 1120 нм).
Плотность, г/см3 |
2,60 |
Твердость по Моосу |
4,0 |
Область пропускания, |
0,12–6,5 |
мкм |
|
Длина вол- |
0,2 0,5 1,0 3,0 7,0 |
ны, мкм |
|
Показатель 1,4231,3801,3741,3621,304 преломления1,4381,3921,3851,3721,310 n0/ne
Плотность, г/см3 |
3,18 |
Твердость по Моосу |
6,0 |
Область пропускания, |
0,11–7,5 |
мкм |
|
Лекция 30. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ
Основными методами получения совершенных кристаллов большого диаметра яв-
ляются методы выращивания из расплава, растворов и паровой (газовой) фазы.
Подавляющее большинство технически важных кристаллов выращивают из рас-
плава.
Для выращивания кристаллов используют также
кристаллизацию при химическом синтезе;
кристаллизацию при высоких давлениях;
электролитическую кристаллизацию;
кристаллизацию из гелей;
кристаллизацию из твердой фазы.
Выращивание монокристаллов из расплава
Веществами, наиболее подходящими для выращивания из расплава, являются те, которые плавятся без разложения, не имеют полиморфных переходов и характеризуются низкой химической активностью.
Методы выращивания из расплава
вытягивание из расплава
бестигельные методы
направленная кристаллизация
При кристаллизации из расплава важно учитывать процессы, влияющие на состав расплава:
термическую диссоциацию; испарение;
взаимодействие расплава с окружающей средой;
процессы на фронте кристаллизации;
процессы теплопереноса в кристалле и расплаве;
процессы массопереноса.
30.1. Метод Чохральского
Метод Чохральского относится к тигельным, поскольку при выращивании используются контейнеры из материалов, устойчивых к расплаву и атмосфере установки.
При выращивании кристаллов из тигля происходит загрязнение расплава материалом тигля.
1 – расплав; 2 – кристалл; 3 – затравка; 4 – нагреватель
Метод характеризуется наличием большой открытой площади расплава, поэтому летучие компоненты и примеси активно испаряются с поверхности расплава.
Содержанием летучих компонентов управляют, изменяя давление и/или состав атмосферы в ростовой установке.
Для обеспечения более равномерного распределения температуры и примесей по объему расплава затравочный кристалл и тигель с расплавом вращают, причем обычно в противоположных направлениях.
Вращение в заведомо неоднородном тепловом поле всегда приводит к появлению на поверхности слитка мелкой винтовой нарезки.
Помимо винтовой нарезки на поверхности сам слиток может расти в форме штопора.
Метод отличается наличием большого объема расплава, и при росте кристалла на фронте кристаллизации постоянно происходит оттеснение части компонентов в расплав.
Расплав постепенно обедняется компонентами, более интенсивно встраивающимися в кристалл, и обогащается компонентами, оттесняемыми при росте кристалла.
По мере роста концентрации компонента в расплаве его концентрация повышается и в кристалле.
Возникает неравномерное распределение легирующих компонентов от начала к концу слитка.
Выращивание кристалла идет со свободной поверхности расплава, а потому кристаллы, полученные методом Чохральского, менее напряжены, чем кристаллы, полученные другими тигельными методами.
Форма кристалла близка к цилиндрической, но при этом проявляются искажения, определяемые тепловыми условиями выращивания, скоростью вытягивания, кристаллической структурой и кристаллографической ориентацией выращиваемого слитка.
Бездислокационные слитки кремния, выращиваемые в направлении [100], при значительном переохлаждении стремятся приобрести выраженную квадратную огранку.
Нелинейные кристаллы
Фтористый барий
Фтористый литий
Фтористый магний
