Кристаллы гадолиний-скандий алюминиевого граната, легированные ванадием

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОАО « НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С.И. ВАВИЛОВА»

КРИСТАЛЛЫ ГАДОЛИНИЙ-СКАНДИЙ АЛЮМИНИЕВОГО ГРАНАТА, ЛЕГИРОВАННЫЕ ВАНАДИЕМ.

Сандуленко А.В.

Титов А.Н.

Кристаллы сложных оксидов металлов со структурой гранатов активированные ионами ванадия представляют практический интерес для модуляции добротности лазеров генерирующих в диапазоне длин волн 1,0ч2,0 мкм. Ионы ванадия в кристаллах имеют валентные состояния 2+,3+ и 4+ и занимают тетраэдрические и октаэдрические позиции в кристаллографической решетке граната. Основной вклад в спектр поглощения кристалла в исследуемом диапазоне длин волн вносят октаэдрически и тетраэдрически координированные ионы ванадия V3+.

Для выращивания использовали шихту состава Gd 2,88 Sc0,12 [Sc1,80 Al0,23]Al2,77 Концентрация легирующей добавки в пересчете на ванадий составляла 1.5Ч 1020см3. Пластинки, вырезанные перпендикулярно направлению роста кристалла термообрабатывали в вакууме или в атмосфере Ar-H2 при температуре 1600 С.

В работах по исследованию изоморфизма ГСАГ были предложены следующие КПС для методов Чохральского и направленной кристаллизации соответственно: кристалл металл оксид электронный

Gd2.88Sc1.89Al3.23O12 и Gd2.88Sc1.80Al3.32O12

При этом области гомогенности состава составляли:

Gd 2.85 ч 2.93, Sc 1.67 ч 2.1, Al 3.05 ч 3.4

Параметр элементарной ячейки ГСАГ составляет aГСАГ = 12.395 Е.

Выращивание кристаллов ГСАГ проводили методом Чохральского на серийной высокочастотной установке «КРИСТАЛЛ - 603». Выращивание кристаллов ГСАГ проводили в атмосфере аргона при давлении 1,4 - 1,8 ат. Кристаллы выращивали на иридиевую проволоку или на кристаллическую затравку, ориентированную в направлении [111] с точностью до 3о. Скорость выращивания варьировали в диапазоне 2 - 4 мм/час при вращения затравки со скоростью 20 об/мин. При выращивании кристаллов ГСАГ использовали два типа конструкции теплоизоляции тигля и зоны над расплавом. В первом варианте использовали классическую конструкцию для метода Чохральского и кристалл «вмораживали» в расплав. Второй тип конструкции теплоизоляции обеспечивал изменение осевого температурного градиента над зеркалом расплава. Кристаллы ГСАГ инконгруэнтного состава Gd 2,88 Sc 0,12 [Sc 1,80 Al 0,23 ] Al 2,77 O 12 выращивали только на иридиевую проволоку с первым типом конструкции теплового узла. Полученный образец приведен на рисунке 4.

В работе были получены кристаллы ГСАГ диаметром 15 - 20 мм и длинной до 38 мм, один из образцов приведен на рисунке 6.

Рисунок 1 Кристалл гадолиний-скандий алюминиевого граната, активированный ванадием, выращенный методом Чохральского

Рис.2 Спектры поглощения кристаллов ГСАГ:V, онцентрация ванадия 1.5 1020 см-3. 1 - спектр после роста. 2 - после термообработки в восстановительной атмосфере (Ar-H2) или вакууме 1600 оС .

Спектры кристаллов ГСАГ:V представлены на рис. 2. Переходам 3T1 - 3T1(P), 3T1 - 3T2 соответствуют полосы 640 и 450 нм. А переходам 3A2 - 3T2, 3T1, 1T2 и 3T1(P) тетраэдрических ионов ванадия V3+ относятся полосы 1415, 850, 600 и 560 нм.

Таблица 1. Полосы АИГ:V3+ и ГСАГ:V3+

Количественная оценка положения электронных уровней октаэдрических и тетраэдрических ионов V3+ в рамках ТКП в приближении произвольного кубического поля. Без учета поправки Триса, дает удовлетворительное согласие с наблюдаемыми спектрами при следующих параметрах кристаллического поля.

Таблица 2. Параметры кристаллического поля для тетраэдрически и октаэдрически координированных ионов ванадия в кристаллах АИГ:V3+ и ГСАГ:V3+

Из сравнения интенсивностей полос октаэдрических и тетраэдрических ионов в ИАГ и ГСАГ на рис. 3 видно, что в случае АИГ в октаэдрических позициях оказывается значительно большая доля ионов, чем в ГСАГ.

Поэтому, в последнем случае, можно выделить полосы поглощения соответствующие переходам 3A2 - 3T2, 2T1(P) октаэдрических ионов. Аналогичная ситуация наблюдается на ионах Cr4+ , при этом в ГСАГ практически все ионы Cr4+ занимают тетраэдрические позиции, в ИАГ значительная их часть остается в октаэдрах.

Рис.3 Спектры поглощения алюмо-иттриевого (АИГ:V) и гадолиний-скандий галлиевого граната ГСАГ:V.

1 - ГСАГ:V с дополнительной термообработкой в вакууме или восстановительной атмосфере , концентрация ванадия по шихте 1.5Ч1020см-3 ; 2 - АИГ:V после термообработки в Ar-H2 атмосфере, концентрация ванадия по шихте 3Ч1020см-3.

Заключение

Разработаны основы технологии выращивания методом Чохральского фототропных однофазных кристаллов ГСАГ:V.

Выращены кристаллы ГСАГ:V с коэффициентом поглощения до 2 см-1 ( л=1,54 мкм) из которых изготовлены пассивные лазерные затворы.

Основной вклад в спектр поглощения кристаллов ГСАГ:V вносят полосы принадлежащие октаэдрически и тетраэдрически координированным ионам ванадия V3+. Широкая полоса поглощения в области 1.1 -1.7 мкм принадлежит иону ванадия V3+ в тетраэдрической позиции элементарной решетки граната.

Отношение ионов ванадия V3+, занимающих тетраэдрические позиции кристаллической решетки к общему числу ионов ванадия, больше для кристаллов ГСАГ в сравнении с кристаллами АИГ

В кристаллах ГСАГ:V, необходимое для практического применения в пассивных модуляторах, поглощение может быть обеспечено при меньших концентрациях ванадия, чем для кристаллов АИГ:V.

Определены технологические приемы повышения коэффициента поглощения кристалла ГСАГ:V а также пути усовершенствования технологии выращивания кристаллов ГСАГ:V для изготовления КПЛЗ ( л=1,54 мкм.)

Размещено на Allbest.ru