CS223542B1

CS223542B1 - Method of environment selection for tempering single crystals of yttrituminium garnet

Info

Publication number: CS223542B1
Application number: CS322682A
Authority: CS
Inventors: Jiri Kvapil; Josef Kvapil; Bohumil Perner; Stanislav Sklenar; Jiri Kubelka
Original assignee: Jiri Kvapil; Josef Kvapil; Bohumil Perner; Stanislav Sklenar; Jiri Kubelka
Priority date: 1982-05-05
Filing date: 1982-05-05
Publication date: 1983-10-28

Abstract

Způsob volby prostředí pro temperaci monokrystalů yttritohlinitého granátu, umožňující při analyticky obtížně zjistitelných, zejména nahodilých příměsí zajistit minimální absorpční koeficient při vlnové délce 500 až 2600 nm, kde emitují světlo lasery, používající laserové tyče z monokrystalu yttritohlinitého granátu, aktivovaného ionty vzácných zemin, tedy získat vysoce jakostí aktivní laserový materiál, čehož se dosáhne tím, že u daného monokrystalu se zjistí závislost absorpčního koeficientu na vlnové dálce 300 až 500 nm po zahřívání v atmosféře, jednou obsahující 10 až 100 obj.% kyslíku, jednou 10 až 100 obj.% vodíku a jestliže se křivky závislosti absorpčních koeficientů v oblasti 300 až 500 nm vzájemně protínají, volí se pro konečnou temperaci monokrystalu prostředí, obsahující volný kyslík, v opačném případě prostředí obsahující volný vodík.A method of selecting an environment for tempering single crystals of yttrium aluminum garnet, allowing, in the case of analytically difficult to detect, especially random impurities, to ensure a minimum absorption coefficient at a wavelength of 500 to 2600 nm, where light is emitted by lasers using laser rods from a single crystal of yttrium aluminum garnet activated by rare earth ions, i.e. to obtain a high-quality active laser material, which is achieved by determining the dependence of the absorption coefficient on the wavelength of 300 to 500 nm for a given single crystal after heating in an atmosphere, once containing 10 to 100 vol.% oxygen, once 10 to 100 vol.% hydrogen, and if the curves of the dependence of the absorption coefficients in the region of 300 to 500 nm intersect each other, an environment containing free oxygen is selected for the final tempering of the single crystal, otherwise an environment containing free hydrogen.

Description

(54) Způsob volby prostředí pro temperaci monokrystalů yttritohlinitého granátu(54) Method for selecting the environment for tempering yttrium-aluminum garnet single crystals

Způsob volby prostředí pro temperaci monokrystalů yttritohlinitého granátu, umožňující při analyticky obtížně zjistitelných, zejména nahodilých příměsí zajistit minimální absorpční koeficient při vlnové délce 500 až 2600 nm, kde emitují světlo lasery, používající laserové tyče z monokrystalu yttritohlinitého granátu, aktivovaného ionty vzácných zemin, tedy získat vysoce jakostí aktivní laserový materiál, čehož se dosáhne tím, že u daného monokrystalu se zjistí závislost absorpčního koeficientu na vlnové dálce 300 až 500 nm po zahřívání v atmosféře, jednou obsahující 10 až 100 obj.% kyslíku, jednou 10 až 100 obj.% vodíku a jestliže se křivky závislosti absorpčních koeficientů v oblasti 300 až 500 nm vzájemně protínají, volí se pro konečnou temperaci monokrystalu prostředí, obsahující volný kyslík, v opačném případě prostředí obsahující volný vodík.A method for selecting the environment for tempering yttrium-aluminum garnet monocrystals, which enables to obtain a minimum absorption coefficient at 500 to 2600 nm wavelength, where light emitting lasers using rare-earth activated yttrium-aluminum garnet monocrystals, emit light, high quality active laser material, which is achieved by detecting the dependence of the absorption coefficient on the wavelength 300-500 nm after heating in an atmosphere, once containing 10-100 vol% oxygen, once 10-100 vol% hydrogen, for a single crystal and if the absorption coefficient curves in the region of 300-500 nm intersect each other, a free oxygen-containing environment is chosen for the final single-temperature tempering, otherwise the free hydrogen-containing environment.

223 542223 542

- 1 223 542- 1 223 542

Vynález se týká způsobu volby prostředí pro temperaci monokrystalů yttritohlinitého granátu, určeného pro použití jako optického dílu pro viditelnou nebo/a blízkou infračervenou oblast.The invention relates to a method for selecting an environment for tempering yttrium-aluminum garnet monocrystals to be used as an optical component for the visible and / or near infrared region.

Monokrystaly yttritohlinitého granátu nacházejí značně široké použití jako laserové aktivní materiály a jako speciální scintilátory. V obou uvedených případech je účinnost celého zařízení, sestaveného za použití optických dílů z monokrystalů yttritohlinitého granátu rozhodujícím způsobem ovlivněna vlastní absorpcí tohoto mat^eriálu na pracovní vlnové délce. To je významné zejména v případě laserů s yttritohlinitým granátem, obsahujícím ionty vzácných zemin jako aktivátory, protože fotony podle reflektivity výstupního zrcadla, procházejí aktivním materiálem i několikrát. Jakostní aktivní materiál pro/lasery nemá mít proto absorpční koeficient pro emitované světlo vyšší než tisíciny cm . Tak nízkou absorpci lze zpravidla jen obtížně měřit, protože se uplatňuje i reflektivita měřeného vzorku. Dále je tato absorpce ovlivněna i nahodilouYttrium aluminum garnet monocrystals find a wide range of applications as laser active materials and as special scintillators. In both cases, the efficiency of the whole device, assembled using optical components of yttrium aluminum garnet single crystals, is decisively influenced by the actual absorption of the material at the working wavelength. This is particularly important in the case of yttrium-aluminum grenade lasers containing rare earth ions as activators, since photons, depending on the reflectance of the output mirror, pass through the active material several times. Therefore, a quality active material for / lasers should not have an absorption coefficient for emitted light higher than one thousandth of a cm. Such a low absorption is usually difficult to measure because the reflectivity of the measured sample also applies. Furthermore, this absorption is also affected by chance

- 2 223 542 přítomností velmi malých., analyticky obtížně stanovitelných obecných prvků, a mění se v závislosti na druhu a koncentraci přímili v závislosti «- 2 223 542 the presence of very small, analytically difficult to determine general elements, and varies depending on the species and the concentration of the direct elements depending on the «

na zpracování monokrystalů temperaci. Proto není ani při znalosti závislosti této absorpce na druhu prostředí při temperaci a obsahu příměsí volba optimálního prostředí snadná a temperované monokrystaly, které se dále mechanicky opracovávají na konečný výrobek nemají vždy nejmenší možnou absorpci.for processing single crystals tempering. Therefore, even knowing the dependence of this absorption on the type of environment during tempering and admixture content, the choice of the optimum environment is not easy and tempered single crystals, which are further mechanically worked into the final product do not always have the least possible absorption.

Uvedený nedostatek lze odstranit způsobem volby prostředí pro temperaci monokrystalů yttri_ to hlinitého granátu podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že u daného monokrystalu se zjistí závislost absorpčního koeficientu na vlnové délce v oblasti 300 až 500 nm po zahřívání v atmosféře, obsahující 10 až 100 obj.% kyslíku při teplotách 1100 až 1800 °C a v atmosféře, obsahující 10 až 100 obj.% vodíku a jestliže se křivky závislosti absorpčních koeficientů v oblasti 300 až 500 nm vzájmeně protínají, volí se pro konečnou temperaci monokrystalu prostředí, obsahující volný kyslík, v opačném případě prostře dí, obsahující volný vodík.This deficiency can be overcome by the method of temperature control of the yttrium aluminum garnet single crystals according to the invention, which is characterized in that the single crystal is found to be dependent on absorption wavelength in the range 300-500 nm after heating in an atmosphere containing 10-100 % oxygen at temperatures of 1100 to 1800 ° C and in an atmosphere containing 10 to 100% hydrogen, and if the absorption coefficient curves intersect in the range of 300 to 500 nm, an environment containing free oxygen is chosen for the final tempering of the single crystal. otherwise, the medium containing free hydrogen.

Tímto způsobem se zvolí prostředí pro temperaci, které zaručuje při daném obsahu a druhu příměsí a to nahodilých, minimální absorpční koeficient při vlnové délce 500 až 2600 nm, kde emitují světlo lasery, používající laserové tyče z monokrystalu yttritohlinitého granátu, aktivovaného ionty vzácných zemin. Lze tedy způsobem podle vynálezu zvolit snadno a jednoznačně optimální prostředí pro temperaci a zajistit tak nejvyšší možnou optickou jakost výrobků z monokrystalů yttritohlinitého granátu.In this way, a tempering environment is chosen which guarantees a minimum absorption coefficient at a wavelength of 500 to 2600 nm for a given content and type of admixtures at a wavelength of 500 to 2600 nm, emitting light using lasers using rare earth ions activated yttrium aluminum garnet single crystal. Thus, the optimum tempering environment can be selected easily and unambiguously by the method of the invention and thus provide the highest possible optical quality of the yttrium aluminum garnet single crystal products.

- 3 223 542- 3 223 542

Příklad 1Example 1

Monokrystal yttritohlinitého granátu, aktivovaného 0,6 hmot.% iontů neodymu byl vypěstován Czochralskiho metodou z taveniny připravené z výchozích surovin o čistotě 99Yttrium aluminum garnet single crystal activated with 0.6% by weight of neodymium ions was grown by the Czochralski method from a melt prepared from raw materials with a purity of 99%.

Ze zárodečné části byly zhotoveny 2 destičky o síle 2·mm. Jedna z nich byla temperována v čistém kyslíku, druhá ve vodíku při teplotě 1600 °C po dobu 1 hodiny. Po naleštění ploch destiček byly na spektrograíu zjištěny křivky závislosti optické propustnosti na vlnové délce v oblasti 300 až 500 nm, přičemž bylo zjištěno, že se v uvedené oblasti křivky neprotínají. Proto byl monokrystal temperován ve vodíku při teplotě 1600 °C po dobu 6 hodin a po provedené temperaci byl zpracován na laserové tyče o průměru 6 mm a délce 60 mm. Výstupní energie při čerpání 50 J činily 600 + 30 mJ, zatímco u jedné tyče připravené z téhož monokrystalu a temperovaného za stejných podmínek ale v kyslíku, vykazovala ve stejném zařízení při čerpání 50 J výstupní energii pouze 400 JTwo plates with a thickness of 2 · mm were made from the embryo. One was tempered in pure oxygen, the other in hydrogen at 1600 ° C for 1 hour. After polishing the surfaces of the plates, the optical transmittance-wavelength curves in the region of 300-500 nm were found on the spectrography, and it was found that the curves did not intersect in that region. Therefore, the single crystal was tempered in hydrogen at 1600 ° C for 6 hours and after tempering was processed into laser bars with a diameter of 6 mm and a length of 60 mm. The output energy at pumping 50 J was 600 + 30 mJ, while for one rod prepared from the same single crystal and tempered under the same conditions but in oxygen, it produced only 400 J output energy at pumping at 50 J

Příklad 2Example 2

Monokrystal yttritohlinitého granátu s příměsí 0,6 hmot.% iontů neodymu blíže neurčené čistoty, byl rozřezán na polotovary (hranoly) pro výrobu laserových tyčí o průměru 5 mm a délce 60 mm. Ze zbytků byly zhotoveny 2 destičky o síle 2 mm. Jedna destička byla temperována při teplotě 1350 °C po dobu 8 hodin na vzduchu, druhá při teplotS 1800 °C po dobu 45 min v atmosféře složené z 25 obj.% vodíku a 75 obj.% dusíku. Po vyleštění ploch destiček byla na nich změřena spektrofotometrem závislost optické propustnosti na vlnové délce v rozmezí 300 až 500 nm a bylo zjištěno,The yttrium aluminum garnet single crystal with an admixture of 0.6% by weight of neodymium ions of unspecified purity was cut into semiproducts (prisms) for the manufacture of laser bars of 5 mm diameter and 60 mm length. Two 2 mm plates were made from the residues. One plate was tempered at 1350 ° C for 8 hours in air, the other at 1800 ° C for 45 min in an atmosphere of 25 vol% hydrogen and 75 vol% nitrogen. After polishing the surfaces of the plates, a spectrophotometer was used to measure the optical transmittance versus a wavelength in the range of 300 to 500 nm, and

- 4 223 542 že příslušné křivky se protínají při vlnové délce 395 nm. Proto byly polotovary vytemperovány na vzduchu při teplotě 1400 °C po dobu 15 hodin.4,223,542 that the respective curves intersect at a wavelength of 395 nm. Therefore, the blanks were allowed to air at 1400 ° C for 15 hours.

Poté byly zpracovány na laserové tyče, které v kontinuálním laserovém provozu vykazovaly při použití výstupního zrcadla s refletivitou 95 % a při 3 kW výko 40 IW. Jedna z laserových tyčí, která byla připravena z polotovaru temperovaného ve vodíku při 1700 °C po dobu 3 hodin poskytla při čerpání 3 kW výkon pouze 30 W. Absorpční ztrátový koeficient, vypočtený z měření při různé refletivitě —1 výstupních zrcadel činil v prvém případě 0,002 cm v druhém případě 0,005 cm“¹.They were then processed into laser bars which, in continuous laser operation, exhibited a power output of 40 IW when using an output mirror with a reflectivity of 95% and at 3 kW. One of the laser bars, which was prepared from a hydrogen tempered blank at 1700 ° C for 3 hours, yielded only 30 W at a pumping of 3 kW. cm in the second case 0.005 cm ^-1 .

Claims

THE INVENTION

Method for selecting the medium for tempering the yttrium-aluminum garnet single crystals, characterized in that the absorption coefficient is determined for a given wavelength in the region of 300-500 nm after heating in an atmosphere containing both 10 to 100 vol% oxygen and 10 to 100 vol%. % hydrogen at 1100 to 1800 ° C and if the absorption coefficient dependency curves intersect, a free oxygen-containing environment is chosen for the ultimate temperature of the monocrystals, otherwise the free hydrogen-containing environment ·