СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОВ ДВОЙНЫХ ФТОРИДОВ Российский патент 2009 года по МПК C30B29/12 C30B11/02 H01S3/16 

Описание патента на изобретение RU2367731C2

Изобретение относится к области химии, физики, выращивания кристаллов и может быть использовано при создании кристаллических материалов с прогнозируемыми свойствами для нужд фотоники, квантовой электроники и оптики.

К настоящему времени известны способы увеличения концентрации примесных редкоземельных ионов цериевой подгруппы в оксидных кристаллах структуры граната [1], в кристаллах вольфраматов и молибдатов бария [2] и в боратах скандия [3]. Все эти вещества являются лазерными материалами, где от концентрации редкоземельных элементов, являющихся ионами-активаторами, зависят энергетические характеристики генерируемого излучения. Увеличение концентрации примеси в кристаллах структуры граната [1] достигается путем частичного замещения катионов, образующих кристаллическую решетку граната, на катионы других элементов с меньшими или большими ионными радиусами в зависимости от радиуса примеси. При этом кристаллическая структура граната сохраняется, а путем подбора размеров катионов-заместителей (Са2+, Mg2+, Zr4+, Hf4+, Ge4+) и их концентраций удается так влиять на усредненные кристаллографические радиусы катионов, образующих кристаллическую матрицу, и на длины химических связей (постоянные решетки), что увеличивается эффективный объем некоторых позиций кристаллической решетки, в которые и внедряются дополнительные ионы активатора. Недостатком способа является то, что он позволяет внедрить в кристалл небольшое количество примеси-активатора. При попытке увеличить концентрацию примеси структура граната, необходимая для генерации лазерного излучения, нарушается. Это не позволяет использовать такой кристалл граната в качестве рабочего тела лазера.

Известен способ легирования другого лазерного вещества на основе оксидов бария, неодима, молибдена и вольфрама [2], в котором повышение концентрации активных ионов достигается дополнительным введением оксида гадолиния или иттрия в количестве 8÷10 мол.% при следующих соотношениях компонентов, мол.%:

BaO 58-62 ЭО3 28-32,5 (где Э=Mo или W) Nd2О3 0,2-2,0 R2О3 8-10 (где R=Gd или Y)

причем (R2О3+Nd2О3)=9,5-10,5.

Недостатком этого способа является то, что он имеет предел применимости, а именно при больших изменениях концентрации компонентов кристаллы с параметрами, необходимыми для рабочего тела лазера, просто не образуются.

Известен способ легирования кристалла ортобората скандия ScBО3 [3] для создания лазерного материала с высокой концентрацией активных ионов, т.е. с ионами, которые определяют лазерные свойства кристаллов. Существенным ограничением этого способа является то, что высокая концентрация активных ионов может быть достигнута только в случае, когда активатором являются ионы группы переходных металлов, например Cr3+, Ti3+, V3+, Периодической системы элементов. Получение же достаточных концентраций редкоземельных ионов-активаторов затруднено из-за того, что размеры редкоземельных ионов заметно больше объема замещаемых позиций катионов скандия. Соединения LaBO3, СеВO3 можно было бы рассматривать как потенциальные лазерные матрицы с высокой изоморфной емкостью для редкоземельных ионов, однако получить чистые ортобораты группы лантана прямым синтезом из оксидов невозможно из-за наличия полиморфных превращений в кристаллах в процессе их выращивания, что не позволяет получить оптически однородные кристаллы редкоземельных ортоборатов, выращивая их непосредственно из расплава [3]. Поэтому активация этих кристаллов ионами лантаноидов достигается с помощью выращивания смешанных ортоборатов скандия, лантана или церия. Данный способ легирования с целью активации лазерного кристалла имеет следующий недостаток. Поскольку в такой матрице изоморфная емкость обеспечивается наличием в ней двух катионов с разными ионными радиусами, катионов скандия (маленький ионный радиус) и катионов лантана или церия (с большим ионным радиусом), то стехиометрический коэффициент х в формуле R1-xScx3, где R - это La или Се, лежит в пределах 0,9>х>0,5, обусловленных полиморфными превращениями в кристаллах ортобората лантана и церия. Это обстоятельство приводит к невозможности выращивания монокристаллических образцов.

Необходимо отметить, что все вышеприведенные аналоги являются оксидными соединениями.

Что касается фторидных соединений, известен лишь один случай, когда концентрацию ионов Nd3+ в кристаллах двойных фторидов LiYF4 со структурой шеелита удается увеличить путем 100% замещения ионов Y3+ на ионы Gd3+ [4]. Однако такое замещение приводит к появлению дополнительных полос поглощения, обусловленных электронными переходами ионов Gd3+, что ограничивает использование этих кристаллов в качестве материалов для твердотельных лазеров, так как ухудшаются его лазерные и энергетические характеристики.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа по совокупности совпадения характерных признаков и ожидаемому результату, являются результаты исследований, проведенных на кристаллах двойных фторидов структуры шеелита, опубликованные в работе [5]. Авторами были выращены кристаллы двойных фторидов состава LiY1-xLuxF4, с четырьмя различными значениями х=9, 31, 47.3 и 100 мол.%, активированные ионами неодима. Поскольку предельно достижимые концентрации активаторных ионов в кристаллах зависят от их коэффициентов распределения, определяемых как отношение концентрации ионов активатора в кристаллическом образце к их концентрации в расплаве, в [5] были измерены коэффициенты распределения ионов лютеция, вносимых в кристаллическую решетку LiYF4. Коэффициент распределения этих ионов оказался близким к единице. В то же время коэффициент распределения в эти кристаллы ионов неодима, относящихся к ионам цериевой подгруппы ряда лантаноидов периодической системы, составил лишь 0.33. По аналогии с оксидными кристаллами [1], [2], [3] авторы ожидали, что введение ионов лютеция, имеющих меньший ионный радиус по сравнению с ионными радиусами ионов неодима и иттрия, в кристаллы LiYF4 позволит увеличить коэффициент распределения ионов неодима в эти кристаллы. Однако коэффициент распределения ионов неодима в четырех исследованных составах не изменился. На этом основании авторы [5] сделали вывод о том, что частичная замена ионов иттрия на ионы лютеция в кристаллах двойных фторидов структуры шеелита не приводит к повышению концентрации примесных ионов неодима.

Недостатком прототипа является то, что авторы работы [5] преждевременно сделали общий вывод по результатам исследования лишь четырех, случайно выбранных, кристаллических образцов состава LiY1-хLuxF4, значения х которых оказались далеки от той области, а именно 50÷90 мол.%, где авторами изобретения наблюдается рост коэффициента распределения для ионов цериевой подгруппы. Авторы работы [5] сделали неверный вывод, так как в диапазоне 50÷90 мол.% ими эксперимент не проводился.

Целью изобретения является способ повышения коэффициента распределения редкоземельных ионов цериевой подгруппы в соединениях двойных фторидов структуры шеелита. Поставленная цель достигается тем, что вместо кристаллов двойных фторидов состава LiYF4 или LiLuF4 с примесью ионов цериевой подгруппы выращиваются их твердые растворы LiF-YF3-LuF3 с определенными соотношениями компонентов в исходной шихте, что приводит к заметному увеличению концентраций редкоземельных ионов цериевой подгруппы по сравнению с кристаллами LiYF4 или LiLuF4. При определенных соотношениях между компонентами исходной шихты YF3 и LuF3 удается существенно, в несколько раз, увеличить как коэффициент распределения примесных активаторных ионов цериевой подгруппы, так и, следовательно, их концентрацию при сохранении высокого оптического качества (высокую однородность, прозрачность) выращенных образцов. Сущность способа повышения коэффициента распределения редкоземельных ионов цериевой подгруппы в кристаллы двойных фторидов LiYF4 и LiLuF4 заключается в выращивании из расплава твердых растворов состава LiY1-xLuxF4, активированных редкоземельными ионами цериевой подгруппы лантоноидного ряда, характеризующихся тем, что стехиометрический коэффициент х в химической формуле лежит в пределах 0,5<х<0,9.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», так как для фторидных соединений не обнаружено подобных технических решений, обладающих указанной совокупностью признаков, приводящих к реализации заявляемых целей.

Заявляемый способ повышения коэффициента распределения редкоземельных ионов цериевой подгруппы в кристаллы структуры шеелита не является очевидным для специалистов, занимающихся выращиванием активированных кристаллов, поскольку увеличение коэффициента распределения происходит лишь при определенных соотношениях между компонентами твердых растворов двойных фторидов, зависящих как от ионных радиусов катионов, так и от ионных радиусов примесных редкоземельных ионов цериевой подгруппы. Неочевидность данного технического решения подтверждается также отрицательными результатами работы [5], выбранной в качестве прототипа.

Проведенные эксперименты, с использованием заявляемого способа, позволили получить прозрачные твердые растворы монокристаллов двойных фторидов со структурой шеелита с высоким (до нескольких процентов) содержанием редкоземельных ионов цериевой подгруппы - ионов Се3+ и Nd3+, см. таб. 1 и фиг.1, 2.

Поскольку заявляемый способ работает для ионов Се3+ и Nd3+, следует ожидать, что он может быть реализован и для остальных редкоземельных ионов цериевой подгруппы при определенных соотношениях между компонентами твердых растворов двойных фторидов.

Заявляемый способ также применим при других методах выращивания кристаллов, в частности при выращивании методом Чохральского.

ПРИМЕР 1

Выращивание кристаллов осуществлялось методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях в ростовой установке накального типа. Шихту состава (мол.%): 51 LiF, 18.9 YF3, 30 LuF3 и 0.1 CeF3 помещали в графитовый тигель и сушили в камере ростовой установки в вакууме при температуре 200°С в течение 24 ч. Атмосферу для выращивания кристаллов подготавливали путем сжигания тетрафторэтилена в газообразном аргоне при давлении 1300 гПа. Затем исходная шихта нагревалась до температуры плавления и выдерживалась при температуре около 850°С в течение 2÷4 часов. Рост кристаллов осуществлялся со скоростью 1 мм/ч. Полученные кристаллические образцы имели вид конусообразных стержней со средним диаметром 6÷8 мм и длиной до 60÷70 мм. Кристаллы не имели окраски, были прозрачными и хорошего оптического качества. Концентрацию ионов Се3+ измеряли в средней части выращенных образцов фотометрическим методом и методом ЭПР путем сравнения интегральных интенсивностей спектральных полос с эталонными образцами. Коэффициент распределения ионов Се3+ в твердые растворы LiY1-xLuxF4 при х=0.6÷0.8 превышал в ~2.5 раза коэффициент распределения ионов Се3+ в кристаллы LiYF4 и в ~3.6 раз в кристаллы LiLuF4. При этом концентрация ионов церия в твердых растворах этого состава превышала в ~2.6 раза концентрацию церия в кристаллах

LiYF4 и в ~3 раза в кристаллах LiLuF4. Результаты измерения коэффициента распределения и концентрации ионов церия в кристаллах и твердых растворах двойных фторидов состава LiLuxY1-xF4 в зависимости от содержания ионов лютеция приведены в таблице 1 и на фиг.1.

ПРИМЕР 2

Выращивание кристаллов осуществлялось методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях в ростовой установке накального типа. Шихту состава (мол.%): 51 LiF, 18.5 YF3, 30 LuF3 и 0.5 NdF3 помещали в графитовый тигель и сушили в камере ростовой установки в вакууме при температуре 200°С в течение 24 ч. Атмосферу для выращивания кристаллов подготавливали путем сжигания тетрафторэтилена в газообразном аргоне при давлении 1300 гПа. Затем исходная шихта нагревалась до температуры плавления и выдерживалась при температуре около 850°С в течение 2÷4 часов. Рост кристаллов осуществлялся со скоростью 1 мм/ч. Полученные кристаллические образцы имели вид конусообразных стержней со средним диаметром 6÷8 мм и длиной до 60 мм. Кристаллы были прозрачными и имели сиреневую окраску, характерную для материалов, активированных ионами Nd3+. Коэффициент распределения ионов Nd3+ измеряли в средней части выращенных образцов фотометрическим методом. Коэффициент распределения ионов Nd3+ в твердые растворы LiY1-xLuxF4 при х=0.6 превышал в ~2.5 раза коэффициент распределения ионов Nd3+ в кристаллы LiYF4 и в ~3.6 раз в кристаллы LiLuF4. При этом концентрация ионов неодима в твердых растворах этого состава превышала в ~2.6 раза концентрацию в кристаллах LiYF4 и в ~3.4 раза в кристаллах LiLuF4. Результаты измерения коэффициента распределения и концентрации ионов неодима в кристаллах и твердых растворах двойных фторидов состава LiLuxY1-xF4 от содержания ионов лютеция приведены на фиг.2.

Использованные источники

1. D.Mateika, Е.Voelkel, J.Haisma. Czochralski growth from multicomponent melts of homogeneous mixed-garnet crystals. - Journal of Crystals Growth, 1990, V.102, p.994-1013.

2. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1044216 А, 3426427/18-25, от 23.04.1982, Н.Н.Евтихиев, В.В.Валюк, Е.В.Васильев, А.А.Евдокимов, В.Ф.Папуловский и С.А.Усманов.

3. Описание изобретения к авторскому свидетельству RU 2231881 С1, от 27.06.2004, О.В.Кузьмин.

4. Патент США №4352186.

5. I.M.Ranieri, S.P.Morato, L.C.Courrol, H.M.Shihomatsu, A.H.A.Bressiani, N.M.P.Moraes. Growth of LiY(l-x-y)LuxNdyF4 crystals for optical applications. - J. of Crystal Growth, 2000, V.209, p.906-910.

Таблица 1. Результаты измерения коэффициента распределения и концентрациии ионов церия в кристаллах и твердых растворах двойных фторидов состава LiLux Y1-xF4 в зависимости от содержания ионов лютенция

№ п/п Состав выращенных образцов Коэффициент распределения примеси Концентрация активатора, ат.% Данные ЭПР Данные оптической спектроскопии Данные ЭПР Данные оптической спектроскопии 1 LiYF4 0.17±0.03 0.19±0.02 0.018±0.003 0.020±0.002 2 LiLu0.1Y0.9F4 0.18±0.03 0.19±0.02 0.018±0.003 0.018±0.002 3 LiLu0.2Y0.8F4 0.19±0.03 0.20±0.03 0.019±0.003 0.019±0.002 4 LiLu0.3Y0.7F4 0.17±0.03 0.20±0.03 0.016±0.003 0.019±0.003 5 LiLu0.4Y0.6F4 0.22±0.03 0.21±0.03 0.021±0.003 0.02±0.003 6 LiLu0.5Y0.5F4 0.21±0.03 0.25±0.05 0.021±0.003 0.025±0.005 7 LiLu0.6Y0.4F4 0.51±0.05 0.50±0.05 0.051±0.005 0.051±0.005 8 LiLu0.7Y0.3F4 0.51±0.05 0.47±0.05 0.050±0.005 0.046±0.005 9 LiLu0.8Y0.2F4 0.41±0.05 0.47±0.05 0.040±0.005 0.046±0.005 10 LiLu0.9Y0.1F4 0.18±0.03 0.19±0.02 0.019±0.003 0.018±0.003 11 LiLuF4 0.14±0.03 0.13±0.02 0.016±0.003 0.017±0.003

Похожие патенты RU2367731C2

название год авторы номер документа
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) 2016
  • Рябченков Владимир Васильевич
  • Саркисов Степан Эрвандович
RU2627573C1
СПОСОБ СОЗДАНИЯ ОБРАЗЦОВЫХ МЕР ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩИХ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСИ В КРИСТАЛЛАХ 2010
  • Семашко Вадим Владимирович
  • Кораблева Стелла Леонидовна
  • Наумов Александр Кондратьевич
  • Марисов Михаил Александрович
RU2442143C1
Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра 2020
  • Артемов Сергей Алексеевич
RU2738096C1
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ФЛЮОРИТОПОДОБНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ СРА-ЛАЗЕРОВ 2018
  • Юсим Валентин Александрович
  • Рябченков Владимир Васильевич
  • Саркисов Степан Эрвандович
RU2707388C1
ВЕЩЕСТВО ДЛЯ АКТИВНОГО СВЕТОУПРАВЛЯЕМОГО ОПТИЧЕСКОГО ЗАТВОРА УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА СПЕКТРА 2017
  • Аглямов Радик Дависович
  • Наумов Александр Кондратьевич
  • Ловчев Александр Владимирович
  • Кораблева Стелла Леонидовна
  • Морозов Олег Александрович
RU2654390C1
Люминесцентное вещество 2016
  • Кожевникова Нина Михайловна
RU2634025C2
МАТРИЦА ЛАЗЕРНОГО МАТЕРИАЛА 2002
  • Кузьмин О.В.
RU2231881C1
ЛАЗЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ 2002
  • Кузьмин О.В.
RU2231187C2
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ ДОБРОТНОСТИ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ ВИДИМОГО СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА 2022
  • Юсим Валентин Александрович
  • Саркисов Степан Эрвандович
RU2798465C1
ЛАЗЕРНОЕ ВЕЩЕСТВО 2008
  • Семашко Вадим Владимирович
  • Низамутдинов Алексей Сергеевич
  • Наумов Александр Кондратьевич
  • Кораблева Стелла Леонидовна
  • Ефимов Владимир Николаевич
  • Марисов Михаил Александрович
RU2369670C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 367 731 C2

Реферат патента 2009 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОВ ДВОЙНЫХ ФТОРИДОВ

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов и может быть использовано при создании активированных кристаллических материалов с прогнозируемыми свойствами для нужд фотоники, квантовой электроники и оптики. Оптический материал на основе кристаллов двойных фторидов структуры шеелита получают путем выращивания кристаллов из расплава ингредиентов LiF, YF3, LuF3, LnF3, где Ln - трехвалентные ионы цериевой подгруппы ряда лантаноидов, при этом в шихту для приготовления расплава вводят фторид лютеция в количестве от 50 мол.% до 90 мол.% по отношению к фториду иттрия. Изобретение позволяет получать кристаллы с повышенным коэффициентом распределения трехвалентных редкоземельных ионов цериевой подгруппы. 1 табл., 2 ил.

Формула изобретения RU 2 367 731 C2

Способ получения оптического материала для квантовой электроники на основе кристаллов двойных фторидов структуры шеелита с повышенным коэффициентом распределения трехвалентных редкоземельных ионов цериевой подгруппы, заключающийся в том, что кристаллы выращивают из расплава ингредиентов LiF, YF3, LuF3, LnF3, где Ln - трехвалентные ионы цериевой подгруппы ряда лантаноидов, отличающийся тем, что в шихту для приготовления расплава вводят фторид лютеция в количестве от 50 до 90 мол.% по отношению к фториду иттрия.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2367731C2

RANIERI I.M
et al
Growth of LiYLuNdF crystals for optical application
"Journal of Crystal Growth", 2000, vol.209, p.p.906-910
RANIERI I.M
et al
Growth of LiYLuF crystals under CF atmosphere
"Journal of Alloy and Compounds", 2002, vol.344,

RU 2 367 731 C2

Авторы

Семашко Вадим Владимирович

Низамутдинов Алексей Сергеевич

Наумов Александр Кондратьевич

Кораблева Стелла Леонидовна

Ефимов Владимир Николаевич

Даты

2009-09-20Публикация

2007-11-23Подача