ИТТРИЙ-АЛЮМИНИЕВЫЙ СЛОЖНЫЙ ОКСИД В КАЧЕСТВЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ КРИСТАЛЛОВ Российский патент 2002 года по МПК C30B29/22 C30B15/00 H01S3/16 

Изобретение относится к получению нового сложного оксида на основе иттрия и алюминия, являющегося перспективным материалом для оптоэлектроники. В частности, данный сложный оксид после активации ионами Cr³⁺ или Ln³⁺ (в частности, Nd³⁺, Yb³⁺) может использоваться в качестве лазерного материала.

Сложные оксиды со структурами, например, корунда, граната, активированные ионами хрома (корунд, гранат) и неодима (гранат) уже находят применение в лазерной технике [патент РФ 2038434, б.и. 18, 1995 г., с. 175, МКИ C 30 B 29/28].

Из всех активных сред сегодня наиболее широкое применение в квантовой электронике находят кристаллы иттрий-алюминиевого граната (ИАГ), активированного ионами Nd³⁺ (Y₃Al₅O₁₂ : Nd-ИАГ : Nd) [Каминский А.А., Аминов Л.К., Ермолаева В.Л. "Физика и спектроскопия лазерных кристаллов". М.: Наука, 1986 г. ] . Это объясняется удачным сочетанием удовлетворительных спектрально-генерационных свойств с высокой механической прочностью, твердостью, высокой теплопроводностью и прозрачностью в широком спектральном диапазоне.

Однако кристаллу ИАГ: Nd³⁺ присущ ряд серьезных недостатков. Так, недостаточно высокой является поглощательная способность этой активной среды. Кроме того, вследствие низкого коэффициента распределения ионов Nd³⁺ (K_Nd = 0,18) качественные монокристаллы ИАГ: Nd³⁺ можно получить лишь при низких скоростях вытягивания порядка 1 мм/ч.

Задачей данного изобретения является создание нового сложного оксида состава Y₂(Be_0,5B_0,5)₂AlO₇, кристаллизующегося в структуре семейства мелилита, который был получен по методу Чохральского, что предопределяет возможность промышленного производства этих кристаллов. Кристаллы диаметром 15 мм и длиной 30 мм хорошего оптического качества были выращены на ростовой установки "Кристалл-3" (атмосфера выращивания азот-кислород - N₂/O₂ с относительной объемной концентрацией 98/2; иридий тигель 40х2х40 мм; температура на поверхности расплава около 1600^oC; затравка - иридиевый стержень; скорость вытягивания 1,5 -3 мм/ч; скорость вращения штока 10 об/мин; теплоизоляция ростовой камеры - керамика Al₂O₃, ZrO₂.

В качестве исходных материалов для приготовления шихты использовались высокочистые порошки оксидов иттрия, алюминия, бериллия, оксид бора. Вещества взвешивались в следующем весовом соотношении: оксид иттрия - 67,08-76,10%, оксид бора - 7,51-10,34%, оксид алюминия - 11,00-15,15%, оксид бериллия - остальное содержание до 100%. Вещества тщательно перемешивали, и смесь прессовали в виде таблеток диаметром 30 мм. Таблетки отжигали в муфельной печи при температуре 1200^oС в течение 20 ч, после чего таблетки загружали в тигель, плавили и выращивали кристалл.

Состав и строение кристалла Y₂(Be_0,5В_0,5)₂АlO₇ определены методом рентгеноструктурного анализа:
Тетрагональная сингония
Пространственная группа: Р-42₁m
Параметры ячейки: а=7,267(8), с=4,708(11)А
Объем ячейки: 248,7(7)А³
Молекулярная масса: 336
Число формульных единиц в ячейке: 2
Плотность: 4,518 г/см³
В структуре данного соединения атомы ирридия находятся в искаженных восьмивершинниках - скрученных (томсоновских) кубах, атомы алюминия занимают центры правильных тетраэдров, а атомы (Ве,В) находятся в диортогруппах (Ве, В)₂О₇. Присутствие в структуре Y₂(Be_0,5B_0,5)₂AlO₇ додекаэдрической позиции (аналогичная позиция есть в структуре граната) делает возможным введение Ln-активаторов (в частности, Nd³⁺, Yb³⁺) в позицию Y³⁺, а также одновременно в две кристаллографические позиции: додекаэдрическую (ионов Ln³⁺) и тетраэдрическую (ионов Сr³⁺).

Съемка обкатанного в сферу монокристаллического образца проведена на дифрактометре CAD-4 [Enraf-Nonius. CAD-4 Software. Version 5.0. Enraf-Nonius. Delft. The Netherlands. 1989.] при комнатной температуре (MoK_α излучение, графитовый монохроматор, ω - сканирование, интервал сканирования 1,1+0,345tgθ^°, скорость сканирования 1-7 град/мин). Параметры ячейки уточнены по 24 отражениям в угловом интервале 21.0<θ<21.5^°. Первичная обработка дифракционных данных проводилась по комплексу программ WinGX-96 [Farrugia L. J. WinGX-96. X-Ray Crystallographic Programs for Windows. Version 1.5a. University of Glasgow. UK. 1996.], причем для кристалла Y₂AlBeBO₇ вводилась аналитическая поправка на поглощение по сфере [North А.С.T., D.C.Phillips., Mathews F. S. Acta Cryst. 1968. V. A24. P. 351]. Кристаллическая структура соединений уточнена полноматричным МНК в анизотропном приближении для атомов с использованием комплекса программ SHELXL-97 [Sheldrick G.M. SHELXL-97. Program for the Refinement of Crystal Structures. University of Gottingen. Germany. 1997] при учете атомных кривых рассеяния для нейтральных атомов.

Изобретение относится к получению нового сложного оксида на основе иттрия и алюминия, являющегося перспективным материалом для оптоэлектроники. В частности, данный сложный оксид после активации ионами Сr³⁺ или Ln³⁺ (в частности, Nd³⁺, Yb³⁺) может использоваться в качестве лазерного материала. Сущность изобретения состоит в создании нового сложного оксида состава Y₂(Be_0,5B_0,5)₂A1O₇, кристаллизующегося в структуре семейства мелилита, что предопределяет возможность промышленного производства этих кристаллов. Кристаллы размером 15 мм и длиной 30 мм хорошего оптического качества были выращены на ростовой установке "Кристалл-3" (атмосфера выращивания - азот/кислород с относительной объемной концентрацией 98/2; иридиевый тигель 40х2х40 мм; температура на поверхности расплава около 1650^oС; затравка - иридиевый стержень; скорость вытягивания 1,5-3 мм/ч; скорость вращения штока 10 об/мин; теплоизоляция ростовой камеры - керамика А1₂О₃, ZrO₂).

Иттрий-алюминиевый сложный оксид состава Y₂(Be_0,5B_0,5)₂AlO₇ в качестве кристаллической среды для лазерных кристаллов.