СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ АКТИВИРОВАННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ КОРУНДА И ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ Советский патент 1994 года по МПК C30B33/00 C30B29/20 

Изобретение относится к обработке монокристаллов корунда и изделий из них.

Изделия из монокристаллов корунда, такие как люминесцентные преобразователи лазерного излучения, линзы, призмы, активные элементы лазеров и т. д. , используются в приборах квантовой электроники в условиях сверхплотных потоков светового излучения. Важнейшей эксплуатационной характеристикой изделий является лучевая прочность, являющаяся определяющим параметром для перестраиваемых по частоте лазеров с когерентной накачкой.

Известен способ высокотемпературной термообработки активных элементов из рубина ( α-Al₂O₃: Cr) в атмосфере с избытком водорода при температуре не ниже 1700^оС с последующей термообработкой при такой же температуре, но в атмосфере с избытком кислорода. Способ предназначен для увеличения КПД излучения рубиновых элементов, и как установлено (см. таблицу) повышает лучевую прочность в среднем в 1,5 раза, что недостаточно для указанных целей.

Цель изобретения - повышение лучевой прочности монокристаллов и изделий из лейкосапфира, рубина и тикора.

Поставленная цель достигается тем, что в способе термообработки активированных монокристаллов корунда и изделий из них путем отжига при температуре не менее 1750^оС в атмосфере кислорода и водорода, согласно изобретению, отжигают монокристаллы с концентрацией активатора не более 0,2 вес. % сначала в окислительной атмосфере с парциальным давлением кислорода 1˙10³-1˙10⁵ Па, а затем в водороде. При этом в окислительной среде проводят в течение времени t₁ = X²/8D(c), а в водороде в течение 5 ч, где Х - минимальный размер монокристаллов (см), D = 2˙10^-6 см²/с - коэффициент диффузии анионных вакансий в монокристаллах корунда.

Физико-химическая сущность воздействия на корунд окислительной и восстановительной сред отжига сводится к нормализации кристаллической структуры отжигаемого материала. Окислительный отжиг устраняет анионную расстехиометрию кристалла, а последующий отжиг в водороде компенсирует его катионную расстехиометрию за счет насыщения кристалла атомами водорода. Увеличение лучевой прочности происходит при полном устранении его исходной анионной расстехиометрии. Это определяет минимальное парциальное давление кислорода в среде окислительного отжига - Р_о2 = 1˙10³ Па. Отжиг кристаллов при Р_о2 > 1˙10⁵ Па нецелесообразен, так как не приводит к дальнейшему увеличению лучевой прочности и требует дополнительных материальных затрат на изготовление компрессионной печи.

Время термообработки в окислительной среде зависит от размеров кристаллов и определяется известным соотношением
t₁ = X²/8D, где Х - минимальный линейный размер отжигаемого кристалла;
D - коэффициент диффузии анионных вакансий в монокристаллах корунда.

Термообработка в водороде является диффузионным процессом и, как известно зависит от размеров кристаллов или изделий из них; чем больше кристалл, тем должна быть более длительной изотермическая выдержка. Например, при минимальных линейных размерах кристалла 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 мм время изотермической выдержки составляет соответственно 4, 9, 16, 22, 30, 40, 56, 70 ч. Увеличение времени выдержки до более указанного не повышает лучевую стойкость, но увеличивает затраты на термообработку, что экономически нецелесообразно.

В таблице приведены данные по величине лучевой прочности активированных монокристаллов корунда в сравнении с аналогичными данными по прототипу.

П р и м е р. Монокристаллы корунда с массовой долей активатора (C) помещают в контейнер из оксида алюминия и загружают в печь типа СУОЛ.

Рабочее пространство печи заполняют инертной газовой средой (например, аргоном) с парциальным давлением кислорода РО₂: печь нагревают до 1700-1800^оС и выдерживают в течение времени (t₁), затем заменяют эту среду на водород с давлением 1,1 атм и выдерживают при той же температуре в течение времени (t₂), снижают температуру до 800^оС со скоростью 500 град/ч^-1, после чего выключают нагрев, и печь инерционно остывает до комнатной температуры. Затем извлекают из печи термообработанные объекты.

В конкретном примере выполнения способа термообработки монокристалла корунда диаметром 10 мм по предлагаемому изобретению температура Т = 1750^оС, время t₁ = 17,5 ч, t₂ = 9 ч. Для кристалла диаметром 25 мм Т = 1750^оС, t₁ = 110 ч, t₂ = 30 ч. Для кристалла диаметром 400 мм Т = 1750^оС, t₁ = 280 ч, t₂ = 70 ч.

При сравнении результатов термообработки основным показателем является изменение лучевой прочности монокристаллов корунда и изделий из них. Как видно из таблицы, оптимальными являются режимы, приведенные в примерах 5-7, 9-13, 16-20. Однако реализация условий отжига в примерах 7, 11 и 18 требует применения более сложного и дорогого оборудования, что экономически нецелесообразно. Таким образом, режимы, оговоренные предлагаемым способом, обеспечивают лучевую прочность кристаллов корунда и изделий из них в 1,5 раза большую, чем у способа-прототипа.

Испытания были приведены на 94 монокристаллах, данные по 17 из которых приведены в таблице.

Измерения лучевой прочности проводили по методу, изложенному в отраслевом стандарте ОСТ П 070.802-80 "Материалы оптические и электронные твердотельных лазеров. Метод определения лазерной прочности" и заключающемуся в определении величины мощности лазерного излучения, при которой наступает разрушение исследуемого материала.

Аттестованная в установленном порядке экспериментальная установка состояла из одномодового моноимпульсного лазера с длиной волны излучения 1,06 мкм, гауссовым распределением энергии излучения по поперечному сечению пучка света и плавным регулированием мощности излучения, а также измерителей энергии и длительности импульсов излучения. Относительная погрешность измерений не превышала 14,7% . (56) Патент Японии N 45-29465, Н. кл. 100ДО, 104 СО, 1970.

Использование: способ предназначен для повышения лучевой прочности монокристаллов и изделий из лейкосапфира, рубина и тикора. Сущность изобретения: обработку ведут путем отжига при температуре не менее 1750С в атмосфере кислорода и водорода, отжигают монокристаллы с концентрацией активатора не более 0,2 вес. % сначала в окислительной атмосфере с парциальным давлением кислорода 1·10³-1·10⁵ Па, а затем в водороде. При этом отжиг в окислительной среде проводят в течение времени τ₁=X²/8D , а в водороде в течение 5 ч, где X - минимальный размер монокристаллов (см). D=2·10^-6 см²/с - коэффициент диффузии анионных вакансий в монокристаллах корунда. 1 з. п. ф-лы, 1 табл. , 1 пр.

1. СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ АКТИВИРОВАННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ КОРУНДА И ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ путем отжига пpи темпеpатуpе не менее 1750^oС в атмосфеpе кислоpода и водоpода, отличающийся тем, что, с целью повышения лучевой пpочности монокpисталлов и изделий из лейкосапфиpа, pубина и тикоpа, отжигают монокpисталлы с концентpацией активатоpа не более 0,2 вес. % сначала в окислительной атмосфеpе с паpциальным давлением кислоpода 10³ - 10⁵ Па, а затем в водоpоде. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отжиг в окислительной сpеде пpоводят в течение вpемени t₁ = x²/8D(с), а в водоpоде в течение не менее 5 ч, где X - минимальный pазмеp монокpисталлов (см), D = 2 · 10^-6 см²/с - коэффициент диффузии анионных вакансий в монокpисталлах коpунда.