ABSTRACT
In Yttrium Aluminum Garnet (YAG: Nd) crystals grown by the method of directional solidification the impurity is allocated in cells-formed kind, which density and configuration are determined by the impurity concentration of neodymium. The nature of the impurity allocation is determined by the mechanism of crystal growth and capture of impurity.
Ключевые слова: кристалл; алюмоиттриевый гранат с неодимом (YAG:Nd); примесь; субструктура; гидротермальное травление.
Keywords: crystal; Yttrium Aluminum Garnet with neodymium (YAG: Nd); impurity; substructure; hydrothermal etching.
Введение
Кристаллы со структурой граната, активированные редкоземельными (РЗ) ионами, широко применяются в качестве активных сред лазеров ближнего ИК диапазона длин волн. Широкое применение кристаллов со структурой граната в лазерной физике обусловлено тем, что они выгодно отличаются от многих других классов лазерных материалов изотропией свойств, высокой механической прочностью и теплопроводностью, а также хорошей оптической однородностью. К настоящему времени проведено значительное количество исследований по изучению спектроскопических и структурных свойств кристаллов со структурой граната, активированных РЗ ионами. Результаты этих исследований представлены в многочисленных оригинальных статьях и значительном количестве научных обзоров [2, с. 106; 3, с. 40, 61—62]. Эти результаты имеют важное значение для выбора оптимальной активной среды при получении эффективной лазерной генерации. Среди лазерных кристаллов гранатов самое широкое практическое применение нашел иттрий-алюминиевый гранат активированный ионами неодима (Y3Al5O12:Nd). Генерацию в Y3Al5O12:Nd получают на переходе 4F3/2→4I11/2 ионов Nd3+ с длиной волны λ=1.06 мкм. На основе этого кристалла создано большое число импульсных и непрерывных лазеров для использования в промышленных технологиях, целях связи, геодезии, медицине и в научных исследованиях. Недостатком иттрий-алюминиевого граната является низкий коэффициент вхождения ионов Nd3+, что затрудняет получение кристаллов Y3Al5O12:Nd больших размеров с равномерным распределением неодима [4, с. 65]. Решение задач, направленных на установление связей между особенностями структуры активированных кристаллов, их спектроскопическими характеристиками и рабочими параметрами лазеров, является важной составляющей современной физики твердотельных лазеров [1, с. 334; 5, с. 1115].
Эксперимент
Магнитная восприимчивость исследуемых кристаллов измерялась методом Фарадея на микровесах, смонтированных на основе микроамперметра, чувствительность весов составляет 10-5 г. Измерения проводились с образцами кристаллов, которые были предварительно раздроблены для того, чтобы не было анизотропности магнитной восприимчивости у образца. Образец погружался в кварцевую кювету и помещался во всех случаях в одну и ту же точку поля. Это достигалось путем использования фотокомпенсационной системы, связанной с рамкой микроамперметра, на которой была закреплена рамка микровесов, на которую подвешивалась кювета с помощью кварцевой нити. Схема весов представлена на рис. 1. На платформе микровесов была установлена шкала с делениями, а к коромыслу весов прикреплена стрелка, которая позволила достаточно точно контролировать положение кюветы с исследуемым веществом в заданном положении между полюсами магнита.
Рис. 1. Схема весов
1 — источник света; 2 — зеркало; 3 — фотокомпенсационная схема, собранная на транзисторах; 4 — рамка микроамперметра; 5 — рамка микровесов; 6 — тонкая кварцевая нить
Изменение Н проводилось изменением тока, проходящего через электромагнит, величина тока фиксировалась амперметром.
Для получения результатов использовалась магнитная установка, основанная на взаимодействии неоднородного магнитного поля с веществом. Экспериментально установлено, что кристаллы YAG без примеси обладают диамагнитными свойствами с восприимчивостью χ=-0,25·10-6 см3/г при 300 К. Ионы неодима имеют парамагнитные свойства, а потому, при введении ионов неодима в кристаллы должно наблюдаться снижение магнитной восприимчивости материала пропорционально концентрации примеси. Для эталонного кристалла восприимчивость составляет χ=–0,22·10-6 см3/г при 300 К.
Для каждого образца готовились три пробы, измерение каждой из них проводилось не менее трёх раз и средние значения заносились в таблицу. Из таблицы следует, что значение концентрации примеси, определённое магнитным способом, выше, чем оптическим. Оптический метод указывает на концентрацию примесных ионов, вошедших изоморфно в решётку кристалла, а магнитный указывает, на полную концентрацию в кристалле. По разнице концентраций можно судить о количестве примеси, не вошедшую в решётку.
Таблица 1.
Магнитная восприимчивость образцов кристаллов YAG:Nd
С увеличением концентрации примеси в исходной среде возрастает её концентрация как в решётке кристалла, так и вне её. С приближением к концентрации ~1ат. % помимо диамагнитной составляющей на отдельных участках образцов обнаруживается примесь с парамагнитной составляющей магнитной восприимчивости. При концентрации выше ~ 1,23 ат. % проявляется только парамагнитная составляющая. На рис. 2. представлены субструктуры кристаллов YAG с различной концентрацией примеси. Основным элементом субструктуры у кристаллов с концентрацией до 0,65 ат. % является ячеистость. Ячейки соответствуют симметрии исследуемой плоскости, границы их вытравливаются в виде бороздок, что указывает на повышенную концентрацию примеси на этих участках.
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
0,61 ат.% 0,75 ат.% 0,9 ат.%
Рис. 2. Субструктуры кристаллов YAG с различной концентрацией примеси
С увеличением концентрации неодима до 0,7 ат. % возрастает плотность ячеек (рис. 2.), контуры ячеек становятся более широкими и глубокими, а внутри ячеек появляются поперечные бороздки. На периферийных участках образцов наблюдаются микротрещины, совпадающие по направлению с поперечными бороздками. Дальнейшее увеличение примеси до 0,8—0,9 ат. % приводит к пластинчатым выделениям, тогда как контрастность ячеек снижается.
Выводы
Таким образом, между концентрацией примеси и субструктурой YAG с примесями неодима имеется некоторая связь. Причём зональность и ячеистость по-разному влияют на оптические свойства кристаллов. Как зональность, так и ячеистость обусловлены неравновесным избыточным содержанием примеси. Согласно магнитным изменениям пластинчатые выделения связаны с выделением примеси неодима. С концентрацией примеси выше ~1 % в кристаллах наблюдаются крупные сферические образования не растворившейся примеси неодима (непроплавы). Обнаруживается при этом и вторая фаза — алюмината иттрия.
Список литературы:
1.Багдасаров Х.С., Дедух Л.М., Жижейко И.А. Исследование дислокационной структуры и оптических неоднородностей монокристаллов иттриево-алюминиевого граната / /Кристаллография.— 1970. — т. 15, вып. 1. — С. 334—341.
2.Багдасаров, Х.С. Выращивание кристаллов иттрий-алюминиевого граната [Текст] / Х.С. Багдасаров, И.И. Карпов, Б.Н. Трегумников // Обзоры по электронной технике. Серия: Квантовая электроника.— Т. 10, в. 1. — 1976. — С. 106.
3.Багдасаров Х.С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава [Текст] / М.:Физматлит. — 2004. — С. 40, 61—62.
4.Брызгалов А.Н.Распределение примеси неодима в кристаллах АИГ, полученных способом направленной кристаллизации [Текст] / А.Н. Брызгалов, Э.Т. Эмирбеков, А.Я. Аксеновских, В.А. Письменный // Физика кристаллизации. — Калинин. — 1990. — С. 65—69.
5.Бычков, В.З. Выращивание монокристаллов АИГ с примесью неодима [Текст] / В.З. Бычков, С.А. Федулов, А.С. Власов // Кристаллография. — Т. 14, в. 6 . — 1969. — С. 1115—1116.