Иттрий- алюминиевый гранат ( YAG , Y3Al5O12 ) — синтетический кристаллический материал из группы гранатов . Это кубическая фаза оксида иттрия - алюминия , другими примерами которой являются YAlO3 ( YAP [ 2] ) в гексагональной или орторомбической, перовскитоподобной форме, а также моноклинная Y4Al2O9 ( YAM [ 3 ] ) . [4]
Благодаря своей широкой оптической прозрачности, [5] низкому внутреннему напряжению, высокой твердости, химической и термической стойкости YAG используется в различных оптических устройствах. [6] Отсутствие у него двулучепреломления (в отличие от сапфира) делает его интересным материалом для высокоэнергетических/мощных лазерных систем. Уровни лазерного повреждения YAG варьировались от 1,1 до 2,2 кДж/см 2 (1064 нм, 10 нс). [7]
YAG, как гранат и сапфир , не используется в качестве лазерной среды в чистом виде. Однако после легирования соответствующим ионом YAG обычно используется в качестве основного материала в различных твердотельных лазерах . [8] Редкоземельные элементы, такие как неодим и эрбий, могут быть легированы в YAG в качестве активных лазерных ионов, давая Nd:YAG и Er:YAG лазеры соответственно. YAG, легированный церием (Ce:YAG), используется в качестве люминофора в электронно-лучевых трубках и белых светодиодах , а также в качестве сцинтиллятора .
YAG в течение периода [ когда? ] использовался в ювелирном деле в качестве имитатора алмаза и других драгоценных камней . Цветные варианты и их легирующие элементы включают: [1] зеленый ( хром ), синий ( кобальт ), красный ( марганец ), желтый ( титан ), синий/розовый/фиолетовый ( неодим , в зависимости от источника света), розовый и оранжевый. Как ограненные драгоценные камни они ценятся (как синтетические) за свою чистоту, долговечность, высокий показатель преломления и дисперсию , а иногда и за такие свойства, как имитация свойства изменения цвета александрита. Критический угол YAG составляет 33 градуса. YAG режет как натуральный гранат , а полировка выполняется с помощью оксида алюминия или алмаза (зернистостью 50 000 или 100 000) на обычных полировальных кругах. YAG имеет низкую чувствительность к теплу. [9]
Как синтетический драгоценный камень YAG имеет многочисленные сортовые и торговые названия, а также ряд неправильных названий. Синонимы включают: alexite , amamite , circolite , dia-bud , diamite , diamogem , diamonair , diamone , diamonique , diamonite , diamonte , di'yag , geminair , gemonair , kimberly , Linde simulation diamond , nier-gem , regalair , replique , somerset , triamond , YAIG и yttrium garnet . Производство для торговли драгоценными камнями снизилось после появления синтетического кубического циркония ; по состоянию на 1995 год производство было небольшим. [1] Некоторый спрос существует как на синтетический гранат, а также для конструкций, где очень высокий показатель преломления кубического циркония нежелателен. [ требуется цитата ][обновлять]
Неодимовый YAG ( Nd:YAG ) был разработан в начале 1960 - х годов, а первый работающий лазер Nd:YAG был изобретен в 1964 году. Неодим-YAG является наиболее широко используемой активной лазерной средой в твердотельных лазерах , применяемой для всего: от маломощных непрерывных лазеров до мощных лазеров с модуляцией добротности (импульсных) с уровнями мощности, измеряемыми в киловаттах. [10] Теплопроводность Nd:YAG выше, а его флуоресцентное время жизни примерно в два раза больше, чем у кристаллов Nd:YVO4 , однако он не так эффективен и менее стабилен, требуя более точного контроля температур. Лучшая полоса поглощения Nd:YAG для накачки лазера сосредоточена на 807,5 нм и имеет ширину 1 нм. [11]
Большинство лазеров Nd:YAG производят инфракрасный свет с длиной волны 1064 нм. Свет с этой длиной волны довольно опасен для зрения, так как он может быть сфокусирован хрусталиком глаза на сетчатке , но свет невидим и не вызывает рефлекс моргания . Лазеры Nd:YAG также могут использоваться с кристаллами удвоения или утроения частоты , чтобы производить зеленый свет с длиной волны 532 нм или ультрафиолетовый свет с длиной волны 355 нм соответственно.
Концентрация легирующей примеси в обычно используемых кристаллах Nd:YAG обычно варьируется от 0,5 до 1,4 молярных процентов. Более высокая концентрация легирующей примеси используется для импульсных лазеров; более низкая концентрация подходит для лазеров непрерывного действия. Nd:YAG имеет розовато-фиолетовый цвет, причем стержни с более слабым легированием окрашены менее интенсивно, чем стержни с более сильным легированием. Поскольку его спектр поглощения узкий, оттенок зависит от света, под которым он наблюдается.
YAG, легированный неодимом и хромом ( Nd:Cr:YAG или Nd/Cr:YAG ), имеет характеристики поглощения, которые превосходят Nd:YAG. Это связано с тем, что энергия поглощается широкими полосами поглощения легирующей примеси Cr 3+ и затем передается Nd 3+ посредством диполь-дипольных взаимодействий. [12] Этот материал был предложен для использования в лазерах с солнечной накачкой , которые могли бы стать частью солнечной энергетической спутниковой системы. [13]
YAG, легированный эрбием ( Er:YAG ), является активной лазерной средой, генерирующей лазерную энергию на длине волны 2940 нм. Его полосы поглощения, подходящие для накачки, широкие и расположены между 600 и 800 нм, что позволяет эффективно накачивать импульсную лампу. Концентрация используемой легирующей примеси высока: замещается около 50% атомов иттрия. Длина волны лазера Er:YAG хорошо взаимодействует с водой и жидкостями организма, что делает этот лазер особенно полезным для медицины и стоматологии; он используется для обработки зубной эмали и в косметической хирургии. Er:YAG используется для неинвазивного мониторинга уровня сахара в крови . Механические свойства Er:YAG по существу такие же, как у Nd:YAG. Er:YAG работает на длинах волн, где порог повреждения глаз относительно высок (поскольку свет поглощается до попадания на сетчатку ), хорошо работает при комнатной температуре и имеет высокую крутизну КПД . Er:YAG имеет розовый цвет. [14]
Yb:YAG, легированный иттербием ( Yb:YAG ), является активной лазерной средой, генерирующей лазерную энергию на длине волны 1030 нм, с широкой полосой поглощения шириной 18 нм при длине волны 940 нм. [15] Это одна из самых полезных сред для мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой . Уровни используемых легирующих примесей находятся в диапазоне от 0,2% до 30% замещенных атомов иттрия. Yb:YAG имеет очень низкий фракционный нагрев, очень высокую наклонную эффективность , [16] и отсутствие поглощения возбужденного состояния или преобразования вверх, высокую механическую прочность и высокую теплопроводность. Yb:YAG может накачиваться надежными лазерными диодами InGaAs на длине волны 940 или 970 нм.
Yb:YAG является хорошей заменой 1064 нм Nd:YAG в мощных приложениях, а его версия с удвоенной частотой 515 нм может заменить аргоновые лазеры 514 нм .
Двойной легированный неодимом и церием YAG ( Nd:Ce:YAG или Nd,Ce:YAG ) является активным материалом лазерной среды, очень похожим на Nd:YAG. Добавленные атомы церия сильно поглощают в ультрафиолетовой области и передают свою энергию атомам неодима, увеличивая эффективность накачки; результатом является меньшая тепловая деформация и более высокая выходная мощность, чем у Nd:YAG при том же уровне накачки. Длина волны лазерной генерации, 1064 нм, такая же, как у Nd:YAG. Материал имеет хорошую устойчивость к повреждениям, вызванным УФ-излучением от источника накачки, и низкий порог лазерной генерации . Обычно 1,1–1,4% атомов Y заменяются на Nd, а 0,05–0,1% на Ce.
Гольмий - хром - туллиевый тройной легированный YAG ( Ho:Cr:Tm:YAG или Ho,Cr,Tm:YAG ) является активным материалом лазерной среды с высокой эффективностью. Он генерирует лазер на длине волны 2080 нм и может накачиваться импульсной лампой или лазерным диодом. [17] Он широко используется в военных целях, медицине и метеорологии. Он хорошо работает при комнатной температуре, имеет высокую крутизну КПД и работает на длине волны, где порог повреждения глаз относительно высок. При накачке диодом можно использовать полосу 785 нм для иона Tm 3+ . [17] Другие основные полосы накачки расположены между 400 и 800 нм. Используемые уровни легирования составляют 0,35 атом.% Ho, 5,8 атом.% Tm и 1,5 ат.% Cr. Стержни имеют зеленый цвет, придаваемый хромом (III).
Тулий -легированный YAG ( Tm:YAG ) — это активная лазерная среда, работающая в диапазоне от 1930 до 2040 нм. Подходит для диодной накачки. Двухрежимный Tm:YAG-лазер излучает две частоты, разнесенные на 1 ГГц.
YAG, легированный хромом (IV) ( Cr:YAG ), обеспечивает большое поперечное сечение поглощения в спектральной области 0,9–1,2 микрометра, что делает его привлекательным выбором в качестве пассивного модулятора добротности для лазеров, легированных неодимом. Получающиеся устройства являются твердотельными, компактными и недорогими. Cr:YAG имеет высокий порог повреждения, хорошую теплопроводность, хорошую химическую стабильность, устойчив к ультрафиолетовому излучению и легко поддается обработке. Он заменяет более традиционные материалы для модуляции добротности, такие как фторид лития и органические красители . Уровни используемых легирующих примесей находятся в диапазоне от 0,5 до 3 процентов (молярных). Cr:YAG можно использовать для пассивной модуляции добротности лазеров, работающих на длинах волн от 1000 до 1200 нм, например, на основе Nd:YAG, Nd:YLF , Nd:YVO 4 и Yb:YAG.
Cr:YAG может также использоваться в качестве среды усиления лазера, создавая настраиваемые лазеры с выходами, регулируемыми между 1350 и 1550 нм. Лазер Cr:YAG может генерировать ультракороткие импульсы (в диапазоне фемтосекунд), когда он накачивается на 1064 нм лазером Nd:YAG. [18]
Cr:YAG был продемонстрирован в применении нелинейной оптики в качестве самонакачивающегося фазово-сопряженного зеркала в «петлевом резонаторе» Nd:YAG. [ необходима ссылка ] Такое зеркало обеспечивает компенсацию как фазовых, так и поляризационных аберраций, наведенных в петлевом резонаторе.
YAG, легированный диспрозием ( Dy:YAG ), представляет собой чувствительный к температуре люминофор, используемый при измерениях температуры. [19] Люминофор возбуждается лазерным импульсом, и наблюдается его зависящая от температуры флуоресценция. Dy:YAG чувствителен в диапазоне 300–1700 К. [20] Люминофор можно наносить непосредственно на измеряемую поверхность или на конец оптического волокна . Он также изучался как однофазный белый излучающий люминофор в белых светодиодах, преобразованных люминофором. [21]
YAG, легированный самарием ( Sm:YAG ), представляет собой чувствительный к температуре люминофор, аналогичный Dy:YAG.
Легированный тербием YAG ( Tb:YAG ) — фосфор, используемый в электронно-лучевых трубках. Он излучает желто-зеленый цвет на длине волны 544 нм.
YAG, легированный церием (III) ( Ce:YAG или YAG:Ce ), является фосфором или сцинтиллятором в чистом монокристаллическом виде с широким спектром применения. Он излучает желтый свет при воздействии синего или ультрафиолетового света или рентгеновских лучей. [22] Он используется в белых светодиодах в качестве покрытия на ярком синем диоде InGaN, преобразуя часть синего света в желтый, которые вместе затем выглядят как белый. Такое расположение дает неидеальную цветопередачу . Выходная яркость уменьшается с ростом температуры, что еще больше изменяет цветопередачу устройства. [ необходима цитата ]
Ce:YAG также используется в некоторых ртутных лампах в качестве одного из люминофоров, часто вместе с Eu:Y(P,V)O 4 (фосфат-ванадат иттрия). Он также используется в качестве люминофора в электронно-лучевых трубках , где он излучает свет от зеленого (530 нм) до желто-зеленого (550 нм). При возбуждении электронами он практически не имеет послесвечения (время затухания 70 нс). Он подходит для использования в фотоумножителях .
Ce:YAG используется в ПЭТ-сканерах , детекторах гамма-излучения высокой энергии и заряженных частиц , а также в экранах с высоким разрешением для получения изображений гамма-, рентгеновского , бета- и ультрафиолетового излучения .
Ce:YAG может быть дополнительно легирован гадолинием .
-алюминиевый гранат (YAG) является важным оптическим керамическим материалом, особенно при легировании неодимом и эрбием, когда он проявляет определенный цвет. Например, Er:YAG имеет розовый цвет, а Nd:YAG — светло-красновато-фиолетовый.