Одним из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров является лазер, в котором матрицей служит иттрий-алюминиевый гранат а активатором - ионы . Принятое обозначение этого лазера

Лазер имеет сравнительно низкий порог возбуждения и высокую теплопроводность, что позволяет реализовать генерацию при большой частоте следования импульсов, а также генерацию в непрерывном режиме. КПД лазера сравнительно высок; он достигает нескольких процентов.

Основные переходы иона неодима в гранате показаны на рис. 1.16. Переходы совершаются между определенными атомными которые изображены на рисунке в виде «энергетических полос». Каждой «полосе» (каждому терму) соответствует группа относительно узких энергетических уровней, возникших в результате расщепления данного терма в электрическом поле кристаллической решетки граната (штарковское расщепление).

В процессе накачки ионы неодима переходят из основного состояния, соответствующего терму в три группы состояний: А, Б, В. Группа А соответствует термам группа Б - термам и группа В - терму Этим трем группам состояний отвечают три полосы в спектре поглощения неодима в гранате,

представленном на рис. 1.17, а (соответственно А-, Б- и В-полосы). Тонкая структура полос поглощения, хорошо видная на рисунке, отражает эффект штарковского расщепления термов.

Терм является верхним рабочим «уровнем». Ионы неодима высвечиваются, переходя с этого «уровня» на уровни, соответствующие термам . Основная доля энергии (60%) высвечивается в переходах в качестве нижних рабочих уровней принято рассматривать уровни, соответствующие терму На рис. представлен спектр люминесценции неодима в гранате для переходов Спектр содержит 7 линий; наиболее интенсивны линии 1,0615 и 1,0642 мкм. В табл. 1.1 приведены значения длин волн для 18 линий люминесценции с учетом различных переходов 114]; данные получены при температуре 300 К. При упрощенном рассмотрении лазера можно пользоваться четырехуровневой рабочей схемой; основной «уровень» - терм 4/9/2, нижний рабочий «уровень» - терм верхний рабочий «уровень» - терм «уровень» возбуждения - термы и Заметим, что переходы запрещены в дипольном приближении (оптически запрещены), поскольку при таких переходах орбитальное квантовое число иона неодима изменяется на 3; следовательно, состояния, соответствующие -термам, являются метастабильными.

Алюмо-Иттриевый гранат (АИГ) это оптический материал пригодный для использования в УФ и ИК оптике . Изделия из YAG можно применять в качестве оптических элементов в широкой области спектра от 250-5000 нм. Механические и химические свойства YAG близки к сапфиру, однако YAG не обладает двулучепреломлением и его обработка несколько проще,чем обработка сапфира. YAG не имеет линий поглощения в области 2 – 3мкм, где обычно стекла имеют тенденцию высокого поглощения из за сильных связей молекул воды. Благодаря высоким показателям прочности, порога разрушения, показателя преломления и теплопроводности YAG может быть использован при высоких температурах и в высокомощных лазерах.

Мы используем для нашей оптики высококачественные кристаллы, выращеные по методу Чохральского и горизонтальным методом по выбору заказчика. Наша фирма осуществляет лазерную полировку YAG, изготавливая светопроводы, призмы и зеркала.

Иттрий алюминиевый гранат легированный неодимом (Y 3 A 15 O 12:Nd 3+ )

Алюмо-Иттриевый гранат легированный неодимом( Y 3 A 15 O 12:Nd 3+) - лазерный кристалл, который широко используется в промышленных, медицинских и научных целях. Его основными преимуществами являются: низкий порог генерации, высокий КПД, низкие потери на 1.064 µm , а также высокое оптическое качество, хорошая теплопроводность и устойчивость к перепадам температур, стабильные химические и механические свойства, что позволяет применять Nd :YAG во всех типах твердотельных лазеров.

Спецификация лазерных стержней Nd:YAG

Дополнительно АРД-ОПТИКС предлогает услуги по ремонту
(переполировка и нанесение покрытий) лазерных элементов заказчика

Иттрий алюминиевый гранат легированный эрбием (Er:Y 3 Al 5 O 12 или Er:YAG)

Иттрий алюминиевый гранат, легированный эрбием ( Er :Y 3 Al 5 O 12 или Er :YAG ) - лазерный кристалл, который имеет широкие преимущества при использовании на длине волны 2.94 µ. Er :YAG имеет высокое оптическое качество, высокий КПД , хорошую теплопроводность, стабильные химические и механические свойства. Er :YAG накачивается в широкой области 600 - 800 нм. Все эти свойства делают Er :YAG превосходным материалом для стоматологических и других медицинских лазеров.

Спецификация лазерных стержней Er:YAG

Дополнительно АРД-ОПТИКС предлогает услуги по ремонту
(переполировка и нанесение покрытий) лазерных элементов заказчика

Иттрий алюминиевый гранат легированный иттербием (Yb: Y 3 Al 5 O 12 или Yb:YAG)

Алюм-иттриевый гранат, легированный иттербием(Yb: Y 3 Al 5 O 12 или Yb:YAG ) является одним из многообещающих лазерных активных материалов и более удобным для диодной накачки по сравнению с традиционными Nd гранатами. Он может генерировать на длине волны 1,03µ при накачке 940 нм. Основные преимущества Yb :YAG : широкая полоса поглощения, высокая эффективность и превовсодная эммисия. Лазерный материал Yb :YAG широко используется в промышленных лазерах для резки и сварки металлов. Этот кристалл также применяется в электронике, оптике и в лазерных технологиях.

Спецификация лазерных стержней Yb:YAG

Дополнительно АРД-ОПТИКС предлогает услуги по ремонту
(переполировка и нанесение покрытий) лазерных элементов заказчика

Фианит отличается от алмаза повышенной плотностью (6 г/см 3 , зависит от вида и концентрации примесей), меньшей твердостью (8,5 по шкале Мооса вместо 10 у алмаза), отсутствием двупреломления.

Бесцветные ограненные фианиты по красоте, блеску и игре цвета зрительно почти неотличимы от настоящего бриллианта. Это обусловлено высокими показателями преломления (2,14 - 2,18), а также высокой дисперсией света - 0,06. Поэтому фианит так любим и популярен. А стоит совсем недорого. Если нужно просто украшение - смело выбирайте фианит!

Украшения с фианитами продаются во многих магазинах украшений. Чаще всего это кольца и серьги.

ИАГ (итрий-алюминиевый гранат) отличается от алмаза более низким показателем преломления (1,832), низкой дисперсией (0,028), большей плотностью (4,65 г/см 3 , значение может варьироваться в зависимости от примесных компонентов) и меньшей твердостью (8,5 по шкале Мооса, 1550 кгс/мм 2 по Викерсу и 1100 кгс/см 2 по данным склерометрии для плоскости {100}).

Неодимовые лазеры являются самыми популярными из твердотельных лазеров. В этих лазерах активной средой обычно является кристалл Y3AI5O12 [сокращенно называемый YAG (yttrium aluminum garnet, иттрий-алюминиевый гранат)], в котором часть ионов Y3+ замещена ионами Nd3+.

ГГГ (гадолиний-галиевый гранат) - более низкий показатель преломления (на 0,4), резко более высокая дисперсия (почти на порядок).

Промышленно разработанная технология роста кристалла ГГГ позволяет выращивать монокристаллы большого размера и изготавливать из них активные элементы лазеров до 100 мм в диаметре и 200 мм в длину с хорошим оптическим качеством.

В отличие от кристалла ИАГ решетка ГГГ позволяет вводить большую концентрацию примесных ионов неодима и за счет этого повышать КПД генерации лазера при ламповой накачке до 5%, что приблизительно в 2 раза больше, чем в ИАГ лазере. Кроме этого, решетка ГГГ позволяет соактивировать кристалл ионами сенсибилизаторов Сr3+ или Се3+, которые сильно поглощают излучение ламп накачки и передают возбуждение ионам Nd3+, повышая КПД лазера, его радиационную и УФ стойкость.

Синтетический рутил

Синтетический рутил отличает сильная дисперсия, высокий показатель преломления, повышенная плотность, низкая твердость.

Показатель преломления обыкновенного луча (в натровом свете) равен 2,62, необыкновенного - 2,90, дисперсия в интервале В - G равна 0,28. Эти необычно высокие значения создают в камне игру света, превосходящую игру природного алмаза , поэтому ограненный синтетический рутил представляет собой изумительно красивый камень. Но твердость - всего лишь 6,5, это недостаток, другой недостаток состоит в том, что эти камни всегда имеют желтоватый оттенок (а спрос на окрашенные разновидности, в которых плохо видна сильная дисперсия, невелик).

Синтетический камень всегда обнаруживает себя: в нём есть включения в виде газовых пузырьков.

Синтетический шеелит

Синтетический шеелит - более низкий показатель преломления и дисперсия, низкой твердостью, большей плотностью.

Природный натуральный шеелит ювелирного качества настолько редок, что ограненные камни этого минерала (вольфрамат кальция) рассматриваются скорее как коллекционная редкость, чем как серьезный материал для использования в ювелирном деле.

Зато синтетический шеелит, получаемый методом Чохральского, производится в большом количестве в виде крупных прозрачных кусков, и его довольно часто выдают на рынке за природный материал и запрашивают большую цену.

Признаком синтезированного камня может служить наличие изогнутых линий, очень похожих на линии, наблюдаемые в вернейлевской синтетике, а также облака очень мелких пузырьков.

Ниобат лития

Ниобат лития отличается высоким двупреломлением, повышенным удельным весом и низкой твердостью, отсутствием свечения в УФ-лучах.

Ниобат лития (LiNbO 3) - это соединение ниобия, лития и кислорода. Бесцветное твёрдое вещество с ромбоэдрической структурой. Температура плавления 1257 °C, плотность 4.65 г/см³.

Кристаллы ниобата лития оптически прозрачны в области длин волн 0,4-5,0 мкм; показатель преломления обыкновенного луча 2,29, необыкновенного - 2,20 (для длины волны 0,63 мкм).

Кристаллы необата лития, легированные Fe, перспективны для создания голографических систем управления лазерным лучом в качестве плёночных световодов. Волноводы на его основе используются для электрооптических и акустооптических переключающих устройств и т.п.

Фабулит

Фабулит отличается от алмаза твердостью (6,5 по шкале Мооса), плотностью 5,13 г/см 3 (значительно выше, чем у алмаза). Синонимы: диагем, старилан.

Он почти полностью не отличим по показателям преломления, дисперсии (0,190), изотропности, цвету.

Фабулит - синтетический аналог минерала таусонита, титанат стронция. Первоначальный цвет - черный, для осветления и придания прозрачности фабулит подвергают отжигу и получают материал теплых тонов от желтого до темно-красного или коричневого цвета, обусловленного примесями ванадия, хрома, железа и других. Примесь ниобия и тантала придает материалу синий оттенок.

Это очень эффектный ограночный материал.

Блеск стеклянный.

Дуплеты

Помимо всех имитаций и подделок, известны также и алмазные дуплеты: в этом случае верхняя часть камня делается из алмаза, а нижняя - из бесцветного синтетического сапфира, горного хрусталя или стекла; иногда дуплеты под алмаз делают из синтетической шпинели (верхняя часть) и фабулита (нижняя часть).

В последние годы иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) вызывает неослабный интерес исследователей во всем мире, так как является.одним из самых перспективных материалов для квантовой электроники и других разделов современной техники. Физико-механические свойства ИАГ позволяют использовать его и как сырье для ювелирной промышленности.

Гранат можно выращивать различными методами . В СССР производство ИАГ для ювелирной промышленности основано на использовании метода горизонтальной направленной кристаллизации . В качестве исходных компонентов для синтеза ИАГ по реакции

3Y 2 O 3 + 5Al 2 O 3 → 2Y 3 Al 5 O 12

применяют окись иттрия марки «ХЧ» и корундовую керамику. Сплавление шихты и кристаллизация происходят в вакууме в аппаратах «Сапфир-1м» или СГВК. Вакуумная технология, особенно удобная для выращивания бесцветных кристаллов, позволяет также получать кристаллы ИАГ розового, сиреневого и зеленого цветов, окрашенные окислами эрбия, неодима, хрома и ванадия. При этом из-за интенсивного испарения окрашивающих добавок в шихту вводится количество хромофора, в два-три раза превышающее его содержание в кристалле.

Используемая технология обладает рядом существенных недостатков. При кристаллизации в вакууме через разогретую камеру в течение всего процесса прокачивается небольшое, но конечное количество воздуха. Кислород воздуха окисляет вольфрамовый нагреватель и теплозащитные молибденовые экраны, что значительно сокращает срок их использования. Кроме этого, окисная пленка снижает отражательную способность экранов и приводит к увеличению энергозатрат. В результате химических реакций между окислами ванадия и молибдена с одной стороны и кристаллизуемым материалом с другой растущий кристалл покрываетс металлическим налетом. Нерационально и использование в качестве компонента шихты довольно дорогой (30 - 35 руб. за 1 кг) корундовой керамики, сильно загрязненной окислами железа, в то время как в ювелирной промышленности существует проблема использования возвратных отходов корунда ограночного производства, цена на которые составляет 5 руб. за 1 кг.

Во ВНИИювелирпроме создана технология перекристаллизации этих отходов , но их применение для выращивания ИАГ значительно эффективнее.

Использование возвратных отходов в качестве компонентов гранатовой шихты основано на том, что отходы корунда представляют собой монокристаллическую окись алюминия с добавками Сг 2 О 3 и V 2 O 3 . Окислы хрома и ванадия, окрашивающие кристаллы корунда, играют роль хромофоров и в гранате, изоморфно входя в его структуру. Возвратные отходы корунда, выращенные методом Вернейля, выгодно отличаются от корундовой керамики низкой концентрацией «вредных» примесей. Так, содержание Fе 2 O 3 в корундовой керамике достигает 0,5%. Высокое содержание окисла железа, взаимодействующего с молибденом, приводит к протечкам контейнеров в процессе кристаллизации. Концентрация железа в возвратных отходах не превышает 0,05% .

Во ВНИИювелирпроме разработана технология выращивания ИАГ в газовой среде с использованием возвратных отходов корунда. По этой технологии высушенная окись иттрия, возвратные отходы и, если необходимо, добавки хромофорных окислов в стехиометрическом соотношении загружаются в специальный контейнер для сплавления. При этом для получения однородного слитка шихту загружают слоями: на дно контейнера - возвратные отходы корунда, затем слой порошка V 2 О 3 , возвратные отходы и т. д. Как при сплавлении, так и при кристаллизации, вакуумирование аппарата производится с помощью форвакуумного насоса до 10 ~2 торр. После этого в аппарат запускают аргоно-водородную смесь (95% Аг осч и 5% H 2 техн), создающую давление 0,5 атм. Простые расчеты показывают, что более высокая степень вакуумирования не имеет смысла. Так, уже при вакуумировании до 10 -3 торр количество кислорода, вносимое с аргоном, будет на порядок выше оставшегося в аппарате количества кислорода.

Таким образом, с момента запуска в холодный аппарат газовой смеси в камере постоянно поддерживается избыточное давление, т. е. проблема «натекания» перестает существовать.

Следует отметить, что процесс выращивания ИАГ разрабатывался с учетом конкретных условий существующего производства, так что переход с «вакуумной» технологии на «газовую», связанную с использованием водорода, может быть осуществлен в тех же условиях (противопожарная категория помещения) с соблюдением всех требований техники безопасности.

Созданная технология дает очевидные преимущества по сравнению с существующей технологией:

1. На два-три часа сокращается время подготовки аппарата к работе.

2. В четыре-пять раз увеличивается срок службы нагревательного элемента и теплозащитных экранов - самых дефицитных деталей кристаллизационной камеры.

3. Отсутствие пленки окислов на теплозащитных экранах увеличивает их отражательную способность. Это позволяет вести процесс кристаллизации при более низком напряжении на нагревателе.

4. Существенное преимущество технологии, основанной на использовании возвратных отходов корунда, - возможность получения кристаллов различных цветов, в том числе изумрудно-зеленого, причем процент выхода годного сырья значительно больше, чем при выращивании в вакууме.

Кроме изумрудно-зеленых кристаллов, разработанная технология позволяет получать ИАГ и других цветов желто-зеленой гаммы, представляющих интерес для ювелирной промышленности. В табл. 1. приведены соответствующие составы шихты.

Таблица 1

Оптимальный состав шихты и цвет выращенных кристаллов ИАГ

Как следует из данных табл. 1, кристаллы ИАГ хризолитового и цитринового цветов получаются без добавки окислов - хромофоров, а за счет окрашивающих веществ, содержащихся в возвратных отходах корунда (Сг 2 O 3 - 0,3-0,7 вес.% и V 2 O 3 - 0,2-0,З вес-.%) .

Указанное в табл. 1 содержание цветообразующих добавок рассчитано в процентах от суммарного количества окиси иттрия и возвратных отходов. Эти добавки являются сверхстехиометрическими, т. е. они не компенсированы дополнительным количеством V 2 O 3 . Такой состав шихты позволяет получить не только нужный цвет, но и улучшить качество кристалла (уменьшается растрескивание).

По данным табл. 1 видно, что для получения кристаллов изумрудного цвета в шихту можно добавлять как V 2 O 3 , так и Al 2 O 3 . Это объясняется тем, что пятивалентный ванадий легко восста-навливается до трехвалентного состояния в присутствии водорода. При введении Сг 2 О 3
(кристалл № 6) в свете лампы накаливания наблюдается красная флуоресценция, что приводит к очевидному различию этих кристаллов и изумрудов.

Близость остальных кристаллов по цвету к хризолиту, цитрину и изумруду подтверждается не только методом экспертной оценки, но и объективными расчетами цветовых характеристик сравнивае¬мых материалов. Цветовые координаты рассчитывались по стандартной методике на основании данных о спектрах пропускания ИАГ и природных минералов.

Сравнение спектров зеленого «изумрудного» граната и природного изумруда (кривые 1 и 4 на рис.1) свидетельствуют в целом об их подобии в значительном интервале длин волн. Достаточно большое сходство обнаруживают также цветовые особен¬ности хризолита и ИАГ цвета хризолита (кривые 2, 5).

Рассчитанные координаты в цветовом треугольнике (рис. 2) определяют цветовой тон и чистоту цвета. Как видно по данным рис, 2, координаты граната изумрудного цвета (точка 1) и природного изумруда (точка 4) довольно близки, причем цветовое сходство больше, чем в случае природного и синтетического изумруда (точка 8). Значительное сходство обнаруживается и при сравнении цветовых координат граната цвета хризолита (точка 2) и природного хризолита (точка 5). То же можно сказать о цитрине природном (точка 6) и «цитриновом» гранате (точка 3), цвета которых ближе между собой, чем цвета природного и синтетического (точка 7) цитрина.

В табл. 1 приведены количества хромофоров, добавляемых в шихту. Естественно, в процессе кристаллизации концентрация хромофоров меняется. Поэтому интересно было определить содержание Сг и V в монокристалле, цвет которого удовлетворял бы требованиям, предъявляемым к ювелирному сырью. С этой целью проводился спектральный эмиссионный анализ на Сг и V кристалла № 3, позволивший оценить распределение хромофоров по длине монокристалла. Ошибка при определении составляла 9 и 11% для Сг и V соответственно (рис. 3). Концентрация ванадия в шихте не превышала 0,5% (0,1% в возвратных отходах корунда }