СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛЮМИНАТА ИТТРИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01S3/16 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к твердотельным лазерам на моноалюминате иттрия, активированного неодимом, используемым в системах измерения расстояния до спутников, лазерных дальномерах.

В современных твердотельных лазерах применяют активные элементы (АЭ) из кристаллов алюмината иттрия, активированного неодимом.

Серьезную проблему при изготовлении АЭ и излучателей на их основе представляет образование центров окраски, ухудшающих люминесцентные свойства материалов, в результате чего процент выхода годных АЭ уменьшается ≈ на 25% сокращается срок службы излучателей.

Центры окраски появляются как в процессе изготовления АЭ в результате окислительных процессов, так и при эксплуатации под действием ультрафиолетового излучения (далее УФ-излучения), входящего в состав спектра световой энергии накачки.

Известны способы, позволяющие уменьшить или исключить центры окраски. Способ, описанный в [1] направлен на повышение светоизлучательных свойств АЭ путем дополнительного отжига заготовок АЭ (после выращивания кристаллов) в восстановительной атмосфере, во время которой температура АЭ (или заготовки) может меняться или быть постоянной.

Однако без уточнения температуры отжига и скорости нагрева и охлаждения заготовок АЭ не всегда можно получить качественный АЭ.

Так известно, что соединение УАlO₃ (алюмината иттрия) имеет температурную фазовую неустойчивость. Например, при температурах 1300-1400^оС образуется соединение Y₂Al₅O₁₂ (алюмоиттриевый гранат). При Т ≈ 1400^оС АИГ +Х фаза; при Т≈ ≈1700^оС Y₄Al₂O₉ и Y₅Al₅O₁₂.

Скорость подъема и снижения температуры играет существенную роль, так как градиент термического расширения по осям а, в и с кристаллической решетки алюмината иттрия имеет существенные различия:
по оси а 9,5^.10^-6 град. b 4,3^-10^-6 град. с 10,8^.10^-6 град. Поэтому быстрое изменение температуры может привести к термическим напряжениям (искажению кристаллической решетки), что приводит к ухудшению светоизлучательных свойств.

Известен способ изготовления активных элементов алюмината иттрия, активированного неодимом [2] Для фильтрации УФ-излучения на поверхность АЭ наносится слой, содержащий ионы железа. Слой формируют с использованием отжига АЭ в среде азота и водорода при 1200-1400^оС в течение 2-50 ч.

Однако такой способ изготовления АЭ требует дополнительной операции (нанесения на поверхность АЭ фильтрующего слоя) и не учитывает скорости нагрева и охлаждения АЭ, что существенно влияет на качество АЭ.

Технической задачей изобретения является улучшение светоизлучательных свойств АЭ из монокристалла алюмината иттрия, активированного неодимом, и связанное с ним увеличение процента выхода годных АЭ и их долговечности.

Техническая задача достигается тем, что в способе изготовления АЭ алюмината иттрия вместо процесса формирования фильтрующего ультрафиолетовое излучение слоя проводится отжиг обычных заготовок АЭ в среде водорода, при этом вводится значение скорости подъема и снижения температуры 75-125^оС, а время отжига устанавливается 24-30 ч. Принципиальное отличие предлагаемого способа изготовления АЭ из моноалюмината иттрия от используемого в настоящее время способа заключается в том, что повышение светоизлучательных свойств АЭ и его долговечности происходит не путем отфильтрования коротковолнового излучения, действующего на АЭ в процессе эксплуатации, а созданием в кристаллической решетке АЭ "+" центров (путем отжига заготовок АЭ в среде водорода), обеспечивающих устойчивость материала АЭ к окислительным процессам как в процессе производства, так и под действием ультрафиолетового излучения в процессе его эксплуатации.

Предложенные режимы отжига заготовок АЭ обеспечивают фазовую устойчивость состояния материала АЭ и исключают термические перенапряжения кристаллической решетки, в результате чего значительно повышается долговечность АЭ и выход годных при их производстве.

П р и м е р (конкретного выполнения). Отжиг заготовок АЭ в среде водорода проводился при различных режимах: температуру выдержки меняли от 1100 до 1400^оС с интервалом 50^оС. Скорость снижения и подъема температуры меняли с 50^оС/ч до 400^оС/ч с интервалом в 50^оС/ч. Время отжига от 2 до 40 ч. Наилучшие результаты получили при следующих режимах: температура выдержки 1200^оС, а конкретно 1175-1225^оС при температурах ниже 1175^оС отжиг до конца не проходил, так как наблюдалось на АЭ в процессе эксплуатации появление центров окраски, хотя и в малом количестве, при Т выше 1225^оС выходная энергия излучения несколько снижалась из-за появления фазы Y₃Al₅O₁₂.

Оптимальной скоростью снижения и подъема температуры определена 75-125^оС. При более низких скоростях увеличивается трудоемкость изготовления, при высоких скоростях наблюдалось снижение выходной энергии излучения, что можно объяснить появлением термических напряжений в АЭ. Оптимальное время отжига 24-30 ч. Результаты отжигов АЭ по известному и предлагаемому методу сведены в таблицу.

Предлагаемый способ изготовления АЭ из монокристаллов алюмината иттрия по сравнению с существующими способами увеличивает процент выхода годных АЭ ≈ на 20% и долговечность АЭ ≈ в 8 раз.

Использование: квантовая электроника, а именно твердотельные лазеры на моноалюминате иттрия, активированного неодимом. Сущность изобретения: способ включает нагрев, отжиг и охлаждение заготовок активных элементов в среде водорода. Отжиг осуществляют при 1175 1225°С в течение 24 30 ч, причем нагрев до заданной температуры и последующее охлаждение заготовок проводят со скоростью 75 125°С/ч. 1 табл.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛЮМИНАТА ИТТРИЯ, активированного неофимом, включающий нагрев, отжиг и охлаждение заготовок активных элементов в среде водорода, отличающийся тем, что отжиг осуществляют при 1175 1225^oС в течение 24 30 ч, причем нагрев до заданной температуры и последующее охлаждение заготовок проводят со скоростью 75 125^oС/ч.