stringtranslate.com

Алюмоиттриевый гранат

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 .

Драгоценный камень YAG

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 режется 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 ]

Технические сорта

Nd:YAG

Стержень лазера Nd:YAG диаметром 0,5 см.

Неодимовый YAG ( Nd:YAG ) был разработан в начале 1960-х годов, а первый работающий лазер Nd:YAG был изобретен в 1964 году. Неодимовый 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 время жизни флуоресценции 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.

Nd:Cr:YAG

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]

Эр:YAG

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

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 .

Nd:Ce:YAG

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.

Ho:Cr:Tm:YAG

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).

Тм:YAG

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.

Кр4+:YAG

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.

Dy:YAG

Dysprosium-doped YAG (Dy:YAG) is a temperature-sensitive phosphor used in temperature measurements.[19] The phosphor is excited by a laser pulse and its temperature-dependent fluorescence is observed. Dy:YAG is sensitive in ranges of 300–1700 K.[20] The phosphor can be applied directly to the measured surface, or to an end of an optical fiber. It has also been studied as a single-phase white emitting phosphor in phosphor-converted white light-emitting diodes.[21]

Sm:YAG

Samarium-doped YAG (Sm:YAG) is a temperature-sensitive phosphor similar to Dy:YAG.

Tb:YAG

Terbium-doped YAG (Tb:YAG) is a phosphor used in cathode ray tubes. It emits at yellow-green color, at 544 nm.

Ce:YAG

Cerium(III)-doped YAG (Ce:YAG or YAG:Ce) is a phosphor, or a scintillator when in pure single-crystal form, with a wide range of uses. It emits yellow light when subjected to blue or ultraviolet light or to x-rays.[22] It is used in white light-emitting diodes as a coating on a high-brightness blue InGaN diode, converting part of the blue light into yellow, which together then appear as white. Such an arrangement gives less than ideal color rendering. The output brightness decreases with increasing temperature, further altering device color output.[citation needed]

Ce:YAG is also used in some mercury-vapor lamps as one of the phosphors, often together with Eu:Y(P,V)O4 (yttrium phosphate-vanadate). It is also used as a phosphor in cathode ray tubes, where it emits green (530 nm) to yellow-green (550 nm) light. When excited by electrons, it has virtually no afterglow (70 ns decay time). It is suitable for use in photomultipliers.

Ce:YAG is used in PET scanners, high-energy gamma radiation and charged particle detectors, and high-resolution imaging screens for gamma, x-rays, beta radiation and ultraviolet radiation.

Ce:YAG can be further doped with gadolinium.

See also

References

  1. ^ a b c Gemological Institute of America, GIA Gem Reference Guide 1995, ISBN 0-87311-019-6
  2. ^ "YAlO3; YAP (YAlO3 ht) Кристаллическая структура". Springer Materials . Получено 2019-12-23 ..
  3. ^ "Y4Al2O9; YAM (Y4Al2O9 rt) Кристаллическая структура". Springer Materials . Получено 28.01.2020 .
  4. ^ Sim, SM; Keller, KA; Mah, TI (2000). «Формирование фаз в порошках иттрий-алюминиевого граната, синтезированных химическими методами». Journal of Materials Science . 35 (3): 713–717. Bibcode :2000JMatS..35..713S. doi :10.1023/A:1004709401795. S2CID  92455146.
  5. ^ Франта, Даниэль; Мурешан, Михай-Джордж (2021-12-01). "Оптическая характеристика в широком спектральном диапазоне монокристалла иттрий-алюминиевого граната (YAG) с помощью универсальной модели дисперсии". Optical Materials Express . 11 (12): 3930. Bibcode : 2021OMExp..11.3930F. doi : 10.1364/OME.441088 . ISSN  2159-3930. S2CID  239534251.
  6. ^ "Пользовательская оптика YAG (иттрий-алюминиевый гранат, оксид иттрия-алюминия Y3Al5O12)". Knight Optical . Получено 2022-03-15 .
  7. ^ До, Бин Т.; Смит, Арли В. (2009-06-20). «Пороги объемного оптического повреждения для легированного и нелегированного, кристаллического и керамического иттрий-алюминиевого граната». Applied Optics . 48 (18): 3509–3514. Bibcode : 2009ApOpt..48.3509D. doi : 10.1364/AO.48.003509. ISSN  0003-6935. PMID  19543361.
  8. ^ Kalisky, Yehoshua (1997). "Хосты для твердотельных люминесцентных систем". В Rotman, Stanley R. (ред.). Широкозонные люминесцентные материалы: теория и применение: теория и применение. Springer Science & Business Media. ISBN 9780792398370.
  9. ^ Райс, Эддисон. «Как распознать поддельный бриллиант: что на самом деле означают эти 13 тестов!». Международное общество драгоценных камней . Получено 15 февраля 2021 г.
  10. ^ В. Лупей, А. Лупей «Nd:YAG в свой 50-й юбилей: все еще предстоит узнать» Журнал люминесценции 2015, doi :10.1016/j.jlumin.2015.04.018
  11. ^ "Кристалл ND:YAG (алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом)". Red Optronics .
  12. ^ ZJ Kiss и RJ Pressley (1996). "Кристаллические твердотельные лазеры". Труды IEEE . 54 (10): 1236. doi :10.1109/PROC.1966.5112.
  13. ^ Saiki, T; Imasaki, K; Motokoshi, S; Yamanaka, C; Fujita, H; Nakatsuka, M; Izawa, Y (2006). "Дисковые керамические лазеры Nd/Cr:YAG с накачкой дуговой металлогалогенной лампой". Optics Communications . 268 (1): 155. Bibcode : 2006OptCo.268..155S. doi : 10.1016/j.optcom.2006.07.002.
  14. ^ Lv, Haodong; Bao, Jinxiao; Chao, Luomeng; Song, Xiwen; An, Shengli; Zhou, Fen; Wang, Qingchun; Ruan, Fei; Zhang, Wen; Guo, Wenrong; Zhang, Yonghe (2019). «Механизм разработки керамики из красного циркония, легированного церием, приготовленной методом высокотемпературного восстановления». Journal of Alloys and Compounds . 797 : 931–939. doi : 10.1016/j.jallcom.2019.05.216. S2CID  182269171. Получено 11 апреля 2022 г. Алюмоиттриевый 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.
  15. ^ Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Бичер, Стивен Дж.; Парсонейдж, Тина Л.; Хуа, Пинг; Маккензи, Джейкоб И.; Шеперд, Дэвид П.; Исон, Роберт В. (2016-01-01). "115 Вт Yb:YAG планарный волноводный лазер, изготовленный с помощью импульсного лазерного осаждения" (PDF) . Optical Materials Express . 6 (1): 91. Bibcode :2016OMExp...6...91G. doi : 10.1364/ome.6.000091 . ISSN  2159-3930.
  16. ^ Бичер, Стивен Дж.; Грант-Джейкоб, Джеймс А.; Хуа, Пинг; Шеперд, Дэвид; Исон, Роберт В.; Маккензи, Джейкоб И. (2016-10-30). "Лазерные характеристики тонких пленок граната, легированного иттербием, выращенных методом импульсного лазерного осаждения". Lasers Congress 2016 (ASSL, LSC, LAC) . Optical Society of America. стр. AM3A.3. doi :10.1364/assl.2016.am3a.3. ISBN 978-1-943580-20-0.
  17. ^ ab Koechner, Walter (2006). Твердотельная лазерная техника. Springer. стр. 49. ISBN 978-0-387-29094-2.
  18. ^ Пашотта, Рюдигер. "Усилительная среда, легированная хромом". Энциклопедия лазерной физики и технологий . RP Photonics . Получено 2 апреля 2011 г.
  19. ^ Sevic, Dragutin (2021). "Определение температуры с использованием монокристаллического фосфора YAG:Dy". The European Physical Journal D. 75 ( 2): 56. Bibcode : 2021EPJD...75...56S. doi : 10.1140/epjd/s10053-021-00068-w. S2CID  234033077. Получено 20 апреля 2023 г.
  20. ^ Госс, Л. П.; Смит, А. А.; Пост, М. Э. (1989). «Поверхностная термометрия с помощью лазерно-индуцированной флуоресценции». Обзор научных приборов . 60 (12): 3702–3706. Bibcode : 1989RScI...60.3702G. doi : 10.1063/1.1140478.
  21. ^ Carreira, JFC (2017). "YAG:Dy – Одиночный белый светоизлучающий люминофор на основе синтеза сжигания раствора". Журнал люминесценции . 183 : 251–258. Bibcode : 2017JLum..183..251C. doi : 10.1016/j.jlumin.2016.11.017.
  22. ^ G. Blasse и A. Bril, "Новый фосфор для электронно-лучевых трубок с летающим пятном для цветных телевизоров", Appl. Phys. Lett., 11, 1967, 53-54 doi :10.1063/1.1755025