СЕРИЙНЫЙ СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ГАЛЛИЙ-СКАНДИЙ-ГАДОЛИНИЕВЫХ ГРАНАТОВ ДЛЯ ПАССИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЗАТВОРОВ Российский патент 2008 года по МПК C30B15/04 C30B29/28 H01S3/11 H01S3/16 

Описание патента на изобретение RU2324018C2

Изобретение относится к технологии пассивных лазерных затворов для современных лазеров, используемых в оптических и оптоэлектронных приборах, например лазерных дальномерах, работающих в ближней ИК-области спектра. Также может быть использовано при получении люминесцентных и фото- и катодохромных материалов на основе галлий-скандий-гадолиниевых гранатов и других монокристаллов из многокомпонентных оксидов, содержащих оксиды галлия и хрома.

Известен способ получения пассивных лазерных затворов из монокристаллов алюмоиттриевого граната, легированного катионами ванадия, выращенных методом Бриджемена (см. Иванов В.И., Крутова Л.К., Миронов И.А. и др., Сборник трудов 6-й Международной конференции «Прикладная оптика-2004». Санкт-Петербург, октябрь 2004 г., т.4, с.41-45). Однако данный технологический прием не позволяет проводить повторные выращивания кристаллов для получения пассивных лазерных затворов.

Известна технология пассивных затворов из кристаллов алюмоиттриевого граната, легированного ванадием, где в качестве исходной шихты используют смесь оксидов металлов стехиометрического состава граната, которую сплавляют при температуре 1970°С в среде азота с добавкой кислорода, а затем выращивают кристалл методом Чохральского с последующим отжигом в восстановительной атмосфере (Mierczyk Z., Frukacz Z., OPTO-ELECTRONIC REVIEW, v 8, (1), 2000 г., p.67-74). В данном исследовании отсутствуют данные по серийному выращиванию кристаллов для пассивных затворов. Авторам неизвестны работы, посвященные данной теме.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ выращивания кристаллов на основе галлий-скандий-гадолиниевых гранатов для пассивных лазерных затворов методом Чохральского из иридиевого тигля с расплавом шихты из смеси оксидов металлов - SU 1667587 А1, 27.01.1995. Однако при использовании галлий-скандий-гадолиниевых гранатов, полученных данным способом (составы 1 и 2), получены малые значения коэффициентов поглощения, а при высоких концентрациях ингредиентов шихты MgO×Cr2О3 (состав 3) происходит снижение оптической однородности плоскопараллельных пластинок, которые были использованы в качестве фототропных затворов в неодимовых лазерах. В данном способе не предусмотрена серийность выращивания кристаллов, т.е. возможность использования расплава после предыдущего выращивания с добавлением шихты соответствующего состава.

Задачей предлагаемого технологического решения является усовершенствование способа получения пассивных лазерных затворов для работы в диапазоне длин волн 1,057-1,067 мкм, обеспечивающих необходимый режим модуляции добротности в непрерывном и импульсном режимах работы в части выращивания кристаллов из смеси оксидов металлов, заключающееся в серийном выращивании кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов, легированных катионами хрома, с использованием остатка исходной шихты в тигле и, как следствие, экономия дорогостоящей шихты из высокочистых оксидов металлов, а также упрощение и сокращение технологического цикла на стадии выращивания кристаллов и всей технологии в целом.

Поставленная технологическая цель достигается в серийном способе выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов для пассивных лазерных затворов методом Чохральского из расплава исходной шихты, содержащей смесь оксидов металлов, представляющей собой полученный методом твердофазного синтеза галлий-скандий-гадолиниевый гранат конгруэнтно плавящегося состава с добавками оксида магния и оксида хрома, обеспечивающими концентрацию катионов хрома и магния в расплаве при выращивании первого кристалла по 2,0-2,6×1020 атомов/см3, при этом выращивание кристалла осуществляют при давлении в камере 1,3-2,0 атм в среде аргона и углекислого газа с объемной долей последнего в газовой смеси 14-17%, причем при втором, третьем и последующих выращиваниях в тигель добавляют количество исходной шихты, равное весу предыдущего кристалла, состав которой в части катионов хрома и магния определяют по формуле (CCr×CMg/1020=0,5÷2, при СCr не менее 5×1019 атомов/см3.

Сущность изобретения заключается в следующем: пассивные лазерные затворы из галлий-скандий-гадолиниевых гранатов, легированных катионами хрома, используются в лазерах на длине волны генерации активного элемента на основе неодима (1,057-1,067 мкм) для обеспечения необходимого режима модуляции добротности в непрерывном и импульсном режимах работы прибора. На стадии выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов, легированных катионами хрома, отсутствовала технология выращивания сериями, без полной замены исходной шихты, т.к. из-за высокой летучести оксида галлия при высоких температурах изменялся состав граната как на стадии синтеза, так и на стадии выращивания кристалла из расплава. Отсутствие прямой зависимости количества легирующей добавки в виде катионов (Cr4+) в кристалле и в расплаве от концентрации катионов хрома за счет многообразия катионных форм хрома не позволяло рассчитать необходимое количество оксидов металлов и легирующей добавки для возмещения их недостатка в расплаве для выращивания кристаллов необходимого качества и получения из них пассивных лазерных затворов. Обобщая технологическую задачу, можно сказать, что необходимо создать и поддерживать условное «материальное» равновесие расплав-кристалл-добавка, в части ингредиентов, в серии из пяти выращиваний, что является оптимальным вариантом.

Отмеченные проблемы устраняются тем, что используют исходную шихту галлий-скандий-гадолиниевых гранатов конгруэнтного состава с добавками оксида магния и оксида хрома, обеспечивающими концентрацию катионов хрома СCr и магния CMg в расплаве по 2×l020-2,6×l020 атомов/см3. Данный интервал концентраций данных катионов в шихте обеспечивает необходимую концентрацию катионов хрома при выращивании первого кристалла. Далее синтезируют гранат методом твердофазного синтеза, выращивание кристаллов осуществляют в среде аргона и углекислого газа, объемная доля последнего 14-17% в газовой смеси. Давление в камере может изменяться от 1,3 до 2 атм. При давлении в камере менее 1,3 атм резко изменяется, из-за высокой летучести галлия, состав расплава, что обуславливает образование второй фазы в кристалле. При давлении более 2 атм. изменяются температурные градиенты над поверхностью расплава, в кристалле появляются трещины. При втором, третьем и последующих выращиваниях в тигель добавляют исходную шихту в количестве, равном весу предыдущего кристалла, состав которой в части катионов хрома и магния определяется как (CCr×CMg)/1020 и равно значениям от 0,5 до 2 при СCr не менее 5×1019 атомов/см3, где СCr, CMg - концентрация катионов хрома и магния в расплаве.

Добавка по весу, равному предыдущего кристаллу, обеспечивает идентичность начальных условий для выращивания кристаллов и материальный баланс от выращивания к выращиванию. Данное соотношение концентраций катионов хрома и магния в добавке позволяет поддерживать необходимую концентрацию катионов (Cr4+) в расплаве при втором, третьем и последующих выращиваниях до пятого, а соответственно и в кристалле. Поведение следующих выращиваний нерентабельны, из-за большого количества иридия (материал тигля) в расплаве.

Использование предложенных технологических параметров для серии из пяти выращиваний кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов, легированных хромом, обеспечивает получение годных кристаллов для изготовления пассивных лазерных затворов, работающих в диапазоне длин волн 1.057-1,067 мкм и обеспечивающих необходимый режим модуляции добротности в непрерывном и импульсном режимах работы.

В качестве примера приведены две серии выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевого граната, легированных катионами хрома, с коэффициентом поглощения 4,8-5,9 см-1 на длине волны 1,067 мкм. Из кристаллов после резки, шлифовки, полировки и нанесения просветляющего покрытия были получены аттестованные пассивные лазерные затворы с коэффициентом поглощения 12-32% на длине волны 1,067 мкм диаметром 7 и 8 мм.

Похожие патенты RU2324018C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ГАЛЛИЙ-СКАНДИЙ-ГАДОЛИНИЕВЫХ ГРАНАТОВ ДЛЯ ПАССИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЗАТВОРОВ 2006
  • Титов Александр Николаевич
  • Крутова Лариса Ивановна
  • Ветров Василий Николаевич
  • Игнатенков Борис Александрович
  • Миронов Игорь Алексеевич
RU2321689C2
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ГАДОЛИНИЙ-СКАНДИЙ-АЛЮМИНИЕВЫХ ГРАНАТОВ ДЛЯ ПАССИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЗАТВОРОВ 2014
  • Титов Александр Николаевич
  • Крутова Лариса Ивановна
  • Игнатенков Борис Александрович
  • Ветров Василий Николаевич
RU2550205C1
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ АЛЮМОИТТРИЕВОГО ГРАНАТА, ЛЕГИРОВАННОГО ВАНАДИЕМ 2012
  • Сандуленко Александр Витальевич
  • Письменный Виктор Александрович
  • Крутова Лариса Ивановна
RU2501892C9
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ АЛЮМОИТТРИЕВОГО ГРАНАТА, ЛЕГИРОВАННОГО ВАНАДИЕМ 2017
  • Сандуленко Александр Витальевич
  • Письменный Виктор Александрович
  • Крутова Лариса Ивановна
  • Клименченко Дмитрий Иванович
RU2641828C1
Поликристаллический синтетический ювелирный материал (варианты) и способ его получения 2015
  • Михайлов Михаил Дмитриевич
  • Гольева Елена Владимировна
  • Мамонова Дарья Владимировна
RU2613520C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГРАНАТА 2013
  • Палашов Олег Валентинович
  • Железнов Дмитрий Сергеевич
  • Иванов Игорь Анатольевич
  • Бульканов Алексей Михайлович
RU2560356C1
ФОТОТРОПНОЕ ВЕЩЕСТВО ДЛЯ ЗАТВОРОВ ЛАЗЕРОВ 1985
  • Житнюк В.А.
  • Куратев И.И.
  • Михеев В.Е.
  • Шестаков А.В.
SU1667587A1
ИММЕРСИОННАЯ ЖИДКОСТЬ 2012
  • Евстропьев Сергей Константинович
  • Волынкин Валерий Михайлович
  • Титов Александр Николаевич
RU2535065C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ТЕРБИЙ-ГАЛЛИЕВОГО ГРАНАТА 2006
  • Иванов Игорь Анатольевич
  • Бульканов Алексей Михайлович
RU2328561C1
СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ГАЛЛИЯ В СЦИНТИЛЛЯТОРАХ НА ОСНОВЕ ГАДОЛИНИЙ-ГАЛЛИЕВЫХ ГРАНАТОВ 2016
  • Андреако Марк С.
  • Кэри Александер Эндрю
  • Коэн Питер Карл
RU2670865C2

Реферат патента 2008 года СЕРИЙНЫЙ СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ГАЛЛИЙ-СКАНДИЙ-ГАДОЛИНИЕВЫХ ГРАНАТОВ ДЛЯ ПАССИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЗАТВОРОВ

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах, работающих в ИК-области спектра. Серийный способ выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов осуществляют методом Чохральского из расплава исходной шихты, представляющей собой полученный методом твердофазного синтеза галлий-скандий-гадолиниевый гранат конгруэнтно плавящегося состава с добавками оксида магния и оксида хрома, обеспечивающими концентрацию катионов хрома и магния в расплаве при выращивании первого кристалла по 2,0×l020-2,6×l020 атомов/см3, при давлении в камере 1,3-2,0 атм в среде аргона и углекислого газа с объемной долей последнего в газовой смеси 14-17%, причем при втором, третьем и последующих выращиваниях в тигель добавляют количество исходной шихты, равное весу предыдущего кристалла, состав которой в части катионов хрома и магния определяют по формуле (CCr×СMg)/1020=0,5÷2 при СCr не менее 5×1019 атомов/см3. Полученные из выращенных кристаллов пассивные лазерные затворы обеспечивают необходимый режим модуляции добротности в непрерывном и импульсном режимах работы в диапазоне длин волн 1,057-1,067 мкм.

Формула изобретения RU 2 324 018 C2

Серийный способ выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов для пассивных лазерных затворов методом Чохральского из расплава исходной шихты, представляющей собой полученный методом твердофазного синтеза галлий-скандий-гадолиниевый гранат конгруэнтно плавящегося состава с добавками оксида магния и оксида хрома, обеспечивающими концентрацию катионов хрома и магния в расплаве при выращивании первого кристалла по 2,0·1020-2,6·1020 атомов/см3, при этом выращивание кристалла осуществляют при давлении в камере 1,3-2,0 атм в среде аргона и углекислого газа с объемной долей последнего в газовой смеси 14-17%, причем при втором, третьем и последующих выращиваниях в тигель добавляют количество исходной шихты, равное весу предыдущего кристалла, состав которой в части катионов хрома и магния определяют по формуле (CCr·CMg)/1020=0,5÷2, при СCr не менее 5·1019 атомов/см3.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2008 года RU2324018C2

ФОТОТРОПНОЕ ВЕЩЕСТВО ДЛЯ ЗАТВОРОВ ЛАЗЕРОВ 1985
  • Житнюк В.А.
  • Куратев И.И.
  • Михеев В.Е.
  • Шестаков А.В.
SU1667587A1
Активный материал для твердотельных перестраиваемых лазеров 1983
  • Жариков Е.В.
  • Лаптев В.В.
  • Струве Берт
  • Хубер Гюнтер
  • Щербаков И.А.
SU1099802A1
SU 1595023 A1, 27.03.1999
Фототропное кристаллическое вещество 1989
  • Гармаш Владимир Михайлович
  • Большаков Сергей Анатольевич
  • Бородин Николай Иванович
  • Ермакова Любовь Александровна
  • Житнюк Владимир Анатольевич
  • Миртов Сергей Борисович
  • Охримчук Андрей Гордеевич
  • Шестаков Александр Валентинович
SU1735949A1
FRATELLO V.J
et al
Growth of congruently melting gadolinium scandium gallium garnet
"J
Cryst
Growth", 1987, 80, N1, 26-32, РЖ «Электроника», 1987, реферат № 7Г468.

RU 2 324 018 C2

Авторы

Титов Александр Николаевич

Крутова Лариса Ивановна

Ветров Василий Николаевич

Игнатенков Борис Александрович

Миронов Игорь Алексеевич

Даты

2008-05-10Публикация

2006-04-07Подача