CS273816B1 - Method of yttrium-aluminium garnet's mosaic-less monocrystals preparation with flat phase boundary - Google Patents

Description

Předmětem vynálezu je způsob pěstování bezmozaikových monokrystalů ytritohlinitého granátu z taveniny s plochým fázovým rozhraním, jejichž válcové části vykazují nejlepší optickou homogenitu, jsou proto vhodné ke zpracování na laserové tyče velkých průměrů a nebo laserové desky.

Laserové tyče a desky pro pevnolátkové lasery se zhotovují z celé řady aktivních materiálů. Mezi nimi zaujímá význačné místo ytritohlinitý granát, zejména s aktivací ionty neodymu. Připravuje se vesměs tažením z taveniny při využití kuželovitého fázového rozhraní monokrystalu s taveninou, které zaručuje vysokou strukturní a tím i optickou homogenitu převážné části průřezu monokrystalu. Nevýhodou je znehodnocení osové části průřezu monokrystalu krystalonomickými facetami a kuželovitý tvar šlír periodicky dekorujících fázové rozhraní. Facety v osové části omezují příčný rozměr výbrusů na méně než poloměr monokrystalu. Šlíry jsou přibližně rovnoběžné se směrem šíření laserového svazku v desce využívající odraz na plochách desky (slab) a vyříznutých sečně z monokrystalu, tj. tak, aby šířka desky byla co největší. To má za následek i zobrazení šlírové struktury ve světelném svazku emitovaném takto zhotovenou deskou. Naproti tomu monokrystaly ytritohlinitého granátu pěstované s plochým fázovým rozhraním jsou sice bez středových facet, ale mají zpravidla mosaikovou strukturu, která obvykle vznikne i tehdy, kdy tento tvar rozhraní vznikne až během růstu při přeměně rozhraní kuželovitého na ploché obvyklým zrychlením rotace nebo zvětšením průměru monokrystalu, protože při této přeměně dochází k náhlému zrychlení růstové rychlosti jeho obvodové části, což zejména monokrystaly s obsahem neodymu nesnášejí bez vzniku poruch.

Uvedené nedostatky lze odstranit způsobem pěstování bezmozaikových monokrystalů ytritohlinitého granátu s plochým fázovým rozhraním podle vynálezu, vyznačeného tím, že monokrystaly se táhnou z taveniny pod ochrannou atmosférou obsahující 50 až 98 % obj. argonu a nebo hélia, 2 až 50 % obj. vodíku a jejíž obsah vody poklesne během růstu nejdříve pěstované části monokrystalu o délce odpovídající 100 až 300 % jeho největšího průměru z 3 400 až 1 000 na 600 až 10 ppm objemových. Na počátku pěstování vlivem vyššího, ale pro molybdenové kelímky ještě neškodného obsahu vodní páry v použité redukční atmosféře se silně potlačí tvorba barevných center v monokrystalu. Rostoucí monokrystal málo absorbuje záření vycházející z taveniny, je proto relativně chladný a fázové rozhraní má tvar kužele, což při přibližně kolmé orientaci dislokací k fázovému rozhraní zaručuje jejich vymizení do povrchu monokrystalu. Následným snížením obsahu vodní páry se zvyšuje absorpce nově rostoucí části monokrystalu, což vede ke zpomalení růstu v jeho osové oblasti. Fázové rozhraní se relativně pomalu zploštuje - a to i v případě, že při uvedené změně se zároveň snižuje rychlost rotace monokrystalu. Přispívá k tomu i rozšiřování monokrystalu během růstu jeho nejdříve pěstované části. Zvýšení optické absorpce rostoucího monokrystalu při snížení obsahu vody ochranné atmosféry je rovněž přímo úměrné obsahu dusíku v této atmosféře, protože dusík může být vázán v krystalové mřížce jako Ν’^3-. Proto je vhodné, nejpozději během snižování obsahu vody upravit obsah dusíku v ochranné atmosféře na 0,005 až 5 % objemových. Válcová část monokrystalu je prostá strukturních poruch a vzhledem k růstu s plochým fázovým rozhraním neobsahuje krystalonomické facety.

Způsobem podle vynálezu lze proto připravovat ytritohlinitý granát, který je s ohledem na příznivou polohu šlír dekorujících fázové rozhraní, vhodnou surovinou pro laserové tyče a desky větších rozměrů.

Příklad 1

Monokrystaly ytritohlinitého granátu s obsahem 0,65 % hmot. Nd byly pěstovány tažením rychlostí 0,8 mm h^-\ z molybdenových kelímků objemu 1 1 umístěných v odporovém topném tělesu s molybdenovým stíněním. Celek spolu s tažicí tyčí byl umístěn v kovovém, vodou chlazeném plášti, opatřeném vnějším sušicím okruhem s nucenou cirkulací použité ochranné atmosféry o základním složení 70 % obj. Ar, 25 % obj. He a 5 % obj. H,,. Do uvedeného vnějšího okruhu bylo vloženo čidlo vlhkoměru, čerpadlo a sušicí vložka s náplní molekulového síta.

Λ >.·

CS 273 816 Bl

Monokrystaly byly pěstovány při stálé rychlosti otáčeni 7 min“¹· tak, že během prvých 40 mm tažení byly rozšířeny na konečný průměr 43 mm, který byl udržován až do konce pěstování, tj. do dosažení délky 160 mm. Počáteční vlhkost činila 2 160 ppm objemu. Po vytažení 15 mm bylo spuštěno čerpadlo sušicího okruhu tak, aby po vytažení 50 mm vlhkost poklesla na 102 ppm objemu. Vypěstovaný monokrystal byl prohlédnut v polarizovaném světle ve směru kolmém k ose růstu a bylo zjištěno, že při růstu posledních 115 mm bylo fázové rozhraní ploché. Z uvedené části monokrystalu byly po předběžném rozřezání a po temperaci ve vodíku při teplotě 1 800 °C po dobu 12 h zhotoveny 2 laserové desky o rozměrech 6 x 28 x 110 mm se skloněnými čelními plochami původního průřezu 6 x 28 mm, které při průhledu těmito plochami nevykazovaly žádný dvojlom. Naproti tomu zcela podobné monokrystaly pěstované po celou dobu růstu v atmosféře s vlhkostí 1650 ppm objemu, kde však zploštění fázového roz hraní bylo docíleno plynulým zvyšováním otáček ze 7 min^-'*' na 25 min^-''' poskytly laserové desky, které při průhledu ve funkčním směru vykazovaly dvojlom až 10 mm/cm.

Příklad 2

Monokrystaly ytritohlinitého granátu aktivované 0,7 % hmot. Nd o průměru 18 mm a délce 120 mm byly pěstovány tažením rychlostí 1 mm hl z taveniny v molybdenovém kelímku objemu 250 ml, umístěného v odporovém topném tělesu opatřeném molybdenovým stíněním; Celek spolu s tažicí tyčí byl umístěn v ocelovém plášti chlazeném vodou, na jehož boku byla příruba, k níž byla připevněna trubka s uzavřeným koncem. Prostor pláště a trubky bylo možno oddělovat klapkou ovladatelnou vně pláště. V trubce byla uložena široká miska naplněná P₂0g. provozu byly plášt a trubka naplněny směsí 90 % Ar + 10 % H₂· Počáteční vlhkost činila 2 600 ppm objem, trubka byla uzavřena klapkou. Dbsah N₂ měřený hmotovým spektrografem byl nižší než 0,001 %. Růst monokrystalu probíhal při rychlosti rotace 5 min^-''· tak, že po vytažení 25 mm bylo dosaženo konečného průměru. Po vytažení 20 mm byla otevřena klapka, čímž se atmosféra v plášti dostala do styku s Ρ₂0^. Zároveň byl obsah N₂ v atmosféře upraven na 1,1 % obj. Vypěstované monokrystaly vykazovaly v délce posledních 80 mm pouze malé okrajové facety, protože fázové rozhraní při růstu této části monokrystalu se z původně kuželovitého přeměnilo na ploché, bez vzniku mozaiky. Silné hnědé zbarvení válcové části monokrystalu bylo odstraněno temperaci na vzduchu při teplotě 1 500 °C po dobu 48 h. Z těchto monokrystalů bylo možné zhotovit laserové tyče o průměru 12 mm a délce 75 mm. V případě, že takové tyče měly být zhotoveny z monokrystalů pěstovaných s kuželovitým fázovým rozhraním, potom potřebný průměr použitých monokrystalů činil, s ohledem na středovou facetovou oblast 40 až 45 mm a objem kelímků použitých pro pěstování činil 1 1.

Claims (2)

1. Způsob pěstování bezmozaikových monokrystalů ytritohlinitého granátu s plochým fázovým rozhraním, vyznačený tím, že monokrystaly se táhnou z taveniny pod ochrannou atmosférou obsahující 50 až 98 % obj. argonu a nebo hélia a 2 až 50 % obj. vodíku, jejíž vlhkost poklesne během růstu nejdříve pěstované části monokrystalu o délce odpovídající 100 až 300 % jeho největšího průměru z 3 400 až 1 000 na 600 až 10 ppm objemových.

2. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že nejpozději během snižování vlhkosti atmosféry se obsah dusíku v ní upraví na 0,005 až 5 % objemových.