Патент на изобретение №2324018

(54) СЕРИЙНЫЙ СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ГАЛЛИЙ-СКАНДИЙ-ГАДОЛИНИЕВЫХ ГРАНАТОВ ДЛЯ ПАССИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЗАТВОРОВ

(57) Реферат:

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 (C_Cr×С_Mg)/10²⁰=0,5÷2 при С_Cr 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.

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 (C_Cr×C_Mg/10²⁰=0,5÷2, при С_Cr 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 С_Cr и магния C_Mg 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 (C_Cr×C_Mg)/10²⁰ и равно значениям от 0,5 до 2 при С_Cr не менее 5×10¹⁹ атомов/см³, где С_Cr, C_Mg – 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.

Формула изобретения

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 (C_Cr·C_Mg)/10²⁰=0,5÷2, при С_Cr не менее 5·10¹⁹ атомов/см³.