Алюмоиттриевый гранат ( YAG , Y 3 Al 5 O 12 ) — синтетический кристаллический материал группы гранатов . Это кубическая фаза оксида иттрия -алюминия , другими примерами являются YAlO 3 (YAP [2] ) в гексагональной или орторомбической перовскитоподобной форме, а также моноклинный Y 4 Al 2 O 9 (YAM [3] ). [4]
Благодаря широкой оптической прозрачности, [5] низкому внутреннему напряжению, высокой твердости, химической и термостойкости YAG используется в разнообразной оптике. [6] Отсутствие двойного лучепреломления (в отличие от сапфира) делает его интересным материалом для высокоэнергетических/мощных лазерных систем. Уровни лазерного повреждения ИАГ колебались от 1,1 до 2,2 кДж/см 2 (1064 нм, 10 нс). [7]
YAG, как гранат и сапфир , в чистом виде не используется в качестве лазерной среды. Однако после легирования соответствующим ионом YAG обычно используется в качестве основного материала в различных твердотельных лазерах . [8] Редкоземельные элементы, такие как неодим и эрбий, можно легировать в YAG в виде активных лазерных ионов, получая лазеры Nd:YAG и Er:YAG соответственно. ИАГ, легированный церием (Ce:YAG), используется в качестве люминофора в электронно-лучевых трубках и белых светодиодах , а также в качестве сцинтиллятора .
ИАГ на период [ когда? ] использовался в ювелирных изделиях как имитатор алмазов 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 их чистоту, долговечность, высокий показатель преломления и дисперсию , а иногда и за такие свойства, как имитация свойства александрита менять цвет. Критический угол АИГ составляет 33 градуса. YAG режется, как природный гранат , при этом полировка выполняется оксидом алюминия или алмазом (зернистость 50 000 или 100 000) на обычных полировальных кругах. YAG имеет низкую термочувствительность. [9]
Как синтетический драгоценный камень, ИАГ имеет множество разновидностей и торговых названий, а также ряд неправильных названий. Синонимические названия включают: алексит , амамит , цирколит , диа-буд , диамит , диамогем , диамонайр , диамон , диамоник, диамонит, диамонте , дияг , геминаир , гемонайр , кимберли , Линде имитированный алмаз , ниер - гем , регалаир , реплика , Сомерсет , триамонд , YAIG и иттриевый гранат . Производство для торговли драгоценными камнями снизилось после появления синтетического фианита ; по состоянию на 1995 год производство было небольшим. [1] Некоторый спрос существует на синтетический гранат и на конструкции, в которых очень высокий показатель преломления фианита нежелателен. [ нужна цитата ][обновлять]
ИАГ , легированный неодимом ( Nd:YAG ), был разработан в начале 1960-х годов, а первый работающий лазер Nd:YAG был изобретен в 1964 году. Неодим-ИАГ является наиболее широко используемой активной лазерной средой в твердотельных лазерах и используется для всего. от маломощных лазеров непрерывного действия до мощных лазеров с модуляцией добротности (импульсных) с уровнями мощности, измеряемыми в киловаттах. [10] Теплопроводность Nd:YAG выше, а время жизни его флуоресценции примерно в два раза больше, чем у кристаллов Nd:YVO 4 , однако он не так эффективен и менее стабилен, что требует более точного контроля температуры. Лучшая полоса поглощения Nd:YAG для накачки лазера сосредоточена при 807,5 нм и имеет ширину 1 нм. [11]
Большинство лазеров Nd:YAG излучают инфракрасный свет с длиной волны 1064 нм. Свет этой длины волны довольно опасен для зрения, так как он может фокусироваться хрусталиком глаза на сетчатку , но свет невидим и не вызывает мигательного рефлекса . Лазеры Nd:YAG также могут использоваться с кристаллами с удвоением или утроением частоты для получения зеленого света с длиной волны 532 нм или ультрафиолетового света с длиной волны 355 нм соответственно.
Концентрация легирующей примеси в обычно используемых кристаллах Nd:YAG обычно варьируется от 0,5 до 1,4 мольных 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 легкими легированными добавками окрашены менее интенсивно, чем стержни с более тяжелыми легированными добавками. Поскольку его спектр поглощения узок, оттенок зависит от освещения, при котором 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+ за счет диполь-дипольных взаимодействий. [12] Этот материал был предложен для использования в лазерах с солнечной накачкой , которые могли бы стать частью солнечной спутниковой системы. [13]
YAG, легированный эрбием ( Er:YAG ), представляет собой активную лазерную среду, генерирующую длину волны 2940 нм. Его полосы поглощения, подходящие для накачки, широки и расположены между 600 и 800 нм, что позволяет эффективно накачивать лампой-вспышкой. Используемая концентрация легирующей примеси высока: замещается около 50% атомов иттрия. Длина волны Er:YAG-лазера хорошо взаимодействует с водой и жидкостями организма, что делает этот лазер особенно полезным в медицине и стоматологии; используется для лечения зубной эмали и в косметической хирургии. Er:YAG используется для неинвазивного мониторинга уровня сахара в крови . Механические свойства Er:YAG практически такие же, как у Nd:YAG. Er:YAG работает на длинах волн, при которых порог повреждения глаз относительно высок (поскольку свет поглощается до попадания на сетчатку ) , хорошо работает при комнатной температуре и имеет высокую эффективность наклона . Er:YAG — розовый. [14]
YAG, легированный иттербием ( Yb:YAG ), представляет собой активную лазерную среду, генерирующую длину волны 1030 нм, с широкой полосой поглощения шириной 18 нм при 940 нм. [15] Это одна из наиболее полезных сред для мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой . Используемые уровни легирующих примесей варьируются от 0,2% до 30% замещенных атомов иттрия. Yb:YAG имеет очень низкий фракционный нагрев, очень высокую крутизну эффективности [16] и отсутствие поглощения или повышающего преобразования в возбужденном состоянии, высокую механическую прочность и высокую теплопроводность. Yb:YAG можно накачивать надежными лазерными диодами InGaAs на длине волны 940 или 970 нм.
Yb:YAG является хорошей заменой Nd:YAG с длиной волны 1064 нм в мощных приложениях, а его версия с удвоенной частотой 515 нм может заменить аргоновые лазеры 514 нм .
Неодим - церий с двойным легированием YAG ( Nd:Ce:YAG или Nd,Ce:YAG ) представляет собой активный материал лазерной среды, очень похожий на Nd:YAG. Добавленные атомы церия сильно поглощают ультрафиолетовую область и передают свою энергию атомам неодима, повышая эффективность накачки; результатом являются меньшие тепловые искажения и более высокая выходная мощность, чем у Nd:YAG при том же уровне накачки. Длина волны генерации 1064 нм такая же, как у Nd:YAG. Материал обладает хорошей устойчивостью к повреждениям, вызванным УФ-излучением источника накачки, и низким порогом генерации . Обычно 1,1–1,4 % атомов Y замещено на Nd, а 0,05–0,1 % на Се.
Трижды легированный гольмием - хромом - тулием YAG ( Ho:Cr:Tm:YAG или Ho,Cr,Tm:YAG ) представляет собой активный лазерный материал с высокой эффективностью. Он излучает на длине волны 2080 нм и может накачиваться лампой-вспышкой или лазерным диодом. [17] Он широко используется в военной сфере, медицине и метеорологии. Он хорошо работает при комнатной температуре, имеет высокую эффективность наклона и работает на длине волны, при которой порог повреждения глаз относительно высок. При диодной накачке можно использовать полосу 785 нм для иона Tm 3+ . [17] Другие основные полосы накачки расположены между 400 и 800 нм. Используемые уровни легирующей примеси составляют 0,35 ат.% Ho, 5,8 ат.% Tm и 1,5 ат.% Cr. Палочки имеют зеленый цвет, придаваемый хромом(III).
ИАГ, легированный тулием ( Tm:YAG ), представляет собой активную лазерную среду, работающую в диапазоне от 1930 до 2040 нм. Подходит для диодной накачки. Двухрежимный лазер Tm:YAG излучает две частоты, разделенные частотой 1 ГГц.
YAG, легированный хромом (IV) ( Cr:YAG ), обеспечивает большое сечение поглощения в спектральной области 0,9–1,2 микрометра, что делает его привлекательным выбором в качестве пассивного модулятора добротности для лазеров, легированных неодимом. Полученные устройства являются полупроводниковыми, компактными и недорогими. Cr:YAG имеет высокий порог разрушения, хорошую теплопроводность, хорошую химическую стабильность, устойчив к ультрафиолетовому излучению и легко обрабатывается. Он заменяет более традиционные материалы с модуляцией добротности, такие как фторид лития и органические красители . Используемые уровни легирующих добавок 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 также может использоваться в качестве усиливающей среды для лазеров, создавая перестраиваемые лазеры с выходной мощностью, регулируемой в диапазоне от 1350 до 1550 нм. Лазер Cr:YAG может генерировать ультракороткие импульсы (в диапазоне фемтосекунд) при накачке на длине волны 1064 нм лазером Nd:YAG. [18]
Cr:YAG был продемонстрирован в применении нелинейной оптики в качестве ОВФ-зеркала с самонакачкой в «петлевом резонаторе» Nd:YAG. [ нужна цитация ] Такое зеркало обеспечивает компенсацию как фазовых, так и поляризационных аберраций, вносимых в петлевой резонатор.
YAG, легированный диспрозием ( Dy:YAG ), представляет собой термочувствительный люминофор , используемый при измерении температуры. [19] Люминофор возбуждается лазерным импульсом и наблюдается его температурно-зависимая флуоресценция. Dy :YAG чувствителен в диапазоне 300–1700 К. [20] Люминофор можно наносить непосредственно на измеряемую поверхность или на конец оптического волокна . Он также был изучен в качестве однофазного белого люминофора в белых светоизлучающих диодах с люминофорным преобразованием. [21]
YAG, легированный самарием ( Sm:YAG ), представляет собой термочувствительный люминофор, аналогичный Dy:YAG.
YAG, легированный тербием ( Tb:YAG ), представляет собой люминофор, используемый в электронно-лучевых трубках. Он излучает желто-зеленый цвет при длине волны 544 нм.
ИАГ, легированный церием (III) ( Ce:YAG или YAG:Ce ), представляет собой люминофор или сцинтиллятор в чистой монокристаллической форме 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 синем InGaN-диоде высокой яркости, преобразуя часть синего света в желтый, которые вместе затем кажутся белыми. Такое расположение дает далеко не идеальную цветопередачу . Выходная яркость уменьшается с повышением температуры, что еще больше изменяет цветопередачу устройства. [ нужна 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 пригоден для использования в фотоумножителях .
Ce:YAG используется в ПЭТ-сканерах , детекторах высокоэнергетического гамма-излучения и заряженных частиц , а также в экранах визуализации высокого разрешения для гамма-, рентгеновского , бета-излучения и ультрафиолетового излучения .
Ce:YAG может быть дополнительно легирован гадолинием .
Алюмоиттриевый гранат (YAG) является важным оптическим керамическим материалом, особенно с примесями Nd и Er, когда он имеет определенный цвет. Например, Er:YAG имеет розовый цвет, а Nd:YAG — светло-красновато-фиолетовый.