Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В.Корицкого и др. Том 3 (3-е изд., 1988) (1152098), страница 170
Текст из файла (страница 170)
е. обладать высокой фотохимической стойкостью. 9. Матрица должна обладать высокой лучевой стойкостью для возможности генерации больших мощностей лазерного излучения без разрушения активного элемента. 25.2. МАТРИПЫ И АКТИВАТОРЫ Перечисленным требованиям с различной степенью полноты удовлегворнют различные оксиды, фториды, хлориды, стекла, пластмассы и другие кристаллические и аморфные вещества. Материалы матриц твердотельных лазеров можно разделить на следующие группы: 1.
Кислородные соединения — оксиды и соединения с комплексными анионами а) окснды элементов ПН группы: гх"А!эОэ; УгОз, '06эОз', ЕгэОз! )-аэОз! УзА!эОм! УзОаэОд! 06зОазО~В ЕгзА!ьОп.' б) материалы на основе кислородных соедивений элементов Ч! группы — вольфраматы, молибдаты: Си%06 Вг%06 Уп%06 Ха06(%0э)э, К06 (%0~)г; СаМо06 БгМо06 РЬМо06 ЫаЕа(МоОа)э; ХаЫ6(Мо04)з; в) материалы нв основе кислородных соединений элементов Ч группы — ниобаты, танталаты и ванадаты: Са(НЬОэ)э, УЧОэ и другие; г) материалы на основе кислородных соединений элементов 1Ч группы — силикаты, германаты, титанаты, цирконаты, окислы кремния, титана, циркония, гафиия: Сача(5!Оа)эО; ВаэМВСеэОп д) кислородные соединения элемента П группы типа ХпО, МпО; е] смешанные оксидные лазерные кристаллы типа ХгОэ — УгОэ', ХгОг — ЕгхОз, НЬОх — УгОз', (Л(Ы6(л)РеОп,' 2.
Фтористые соединения а) фториды элеменэюв П группы". СаГя БгГК Варе; МКГэ! апре, б) фторгщы элементов !П группы: 1.аГэ! СеГз', УГз,' в) смешанные фторпды: СаГа — УГз; Сарг — Егрз; Сарг — СеГз; 5гГэ — Еарз! ВаГэ — ЕаГз', ЫаСаУГэ; ХаСаЕгрэ, 8гГ,— — СеРа — 06Гц СаГэ — 5грэ — ВаГи — УГз— — ЕаГ,; г) фторнды элементов ЧП группы типа МпГэ. 3.
Стекло; 4. Пластмасса. Обратим внимание на то, что в качестве кристаллических матрип применяются не только простые соединения со строго упорядоченным расположением атомов в решетке, но и смешанные системы типа твердых растворов. При этом могут использоватьсн как твердые растворы, обрвзовавные однотипными соединениями (например, СаГэ — БгГэ] с изовалентным замещением, так и более сложные смешанные кристаллы, образованные соединениями разного типа (например, СаГэ— СеГз, СаГи — (Ег, Тп, УЬ) Гз, ХгОэ — УэОз) с гетеровалентиым замещением. В твердых растворах появляетсн элемент разупорядоченности, что дает возможность рассматривать их как важное промежуточное звено при переходе от кристаллического к аморфному состоннию.
Основные физико-химические свойства Акгивньге иагериалы твердотельных лазеров (равд. 25) 20 7742997г Г Ю492 1,0 72/2 0,0 2227 жвэ 0,4 0 0,3 в) ' авв 2257 7972 7277 1,3 0 1972 0 0,3 0,0 1,0 1,1 1,2 1,3 54 мхи наиболее распространенных кристаллических матриц представлены в табл. 25.1. В качестве активаторов применяются элементы с незастроенными внутренними 3д-, 4д-, 45 н 51-оболочками. Из переходных металлов применякпся элементы с незастроенной 3д-оболочкой: Сг, Ч, Со, Ыь Наиболее часто применяют лантаиоиды с незастроенной 4(-оболочкой. Здесь используют все элементы: Се, Рг, Хд, Ргп. Зш, Ео, Од, ТЬ, Оу, На, Ег, Тп, УЬ, Ео. Наилучшие результаты получены при использовании нсодима Ыд.
Из актинаидав в лазерной технике применяютсн лишь Б и ТЬ, так как остальные элементы этого ряда обладают повышенной радиоактивностью. Поле кристаллической решетки сильнее всего влияет на внешние электронные оболочки активного нана. Влияние же его на внутренние оболочки элеитронов в значительной степени ослаблено экраннруюшим действием внешних электронов. При этом различают: 1. Слабое кристаллическое и ол е наблюдается при использовании в ка- Рис. 25.3. Оптические переходы а СаВОи Хдгч: а.
схема энергетических уровней Нд'+ в Са)ЧОц б — спектр поглошения (Чдг+ в СаВО, при 77 К; а — спектр люминесценции Нд'+ в СаВОг при 77 К 04 05 00 07 00 мкм честве активаторов ионов редкоземельных элементов с незастроенными 4)-оболочками, которые хорошо зашишены от возмугцающего агадействия внешних полей заполнсннннк 59- и бр-оболочками. Ввиду этого энергети.
ческий спектр редкоземельных ионов, введенных в кристалл, мало отличается ат энер. гегнческого спектра свободных ионов. Уровни энергии достаточно узки, поэтому спеирн люминесценции и поглогцения состоят иэ ряда узких, интенсивных линий. В качестве примера на рис. 25.3 изображены: схема энергетических уровней иона Хдэг в матрице СаВО, (рис. 25.3. а), спектры поглошеная (рис. 25.3, б) и люминесценции (рис. 2э5в, 9) при 77 К. Отсутствие широких полос нагла. ще»ия в материалах, активированных редкоземельными элементами, ивляется их недо. статком. Схема энергетических уровней длэ трехвалентных редкоземельных ионов представэена на рис.
25.4. Здесь и на некагарнх других рисунках по оси ординат откладн. ваются значения энергии в см ' (1 эВ= =8066 см '). Эта единица измерения чргз- Табл!а(а 25.1. Основные фязико-химические свойства наиболее распространенных кристаллических матриц Свойство А!2О5 уЗОв5О52 ООЗ(йсхОв! — х)5042 У,А(,он Одзсв5О!2 Сээп04 С моо4 Сингония Тригонапь- ная дзс 0554 Кубическая 1сЗьг Ого Кубическая 1аЗг( — О„'о Куби- Тетрагоческая нальная ВиЗги — Ов 14г/а — Сча Кубическая 1а34( — О',с Кубическая 1е34/ — О„'сс Тетраго- нальная 14,/а — См 1,203 1.228 1,2376 1,257 0,5462 4,55 8,5 1930 628 5,79 7,5 б,л) 7,5 1850 448 7,09 7,5 !825 427 3,180 4,0 1360 870 25,5* 6,664 19,5 5,0чь 2444 254 23ев 10,55" 8,6*в 7,4 4,0* 3,85*4 12,5 4 (3,3)в 8,0 ас= 11,7 а„= 3,65 6,7 1,756 1,766 0,14 ..6,5 1,823 1„83 0,7...5,0 1,93 1,94 1,97 1,94 1,97 1,429 1,433 0,2...8,0 1,98 0,3...5,0 1,92 0,3...5,0 0,1 1,6 6,0 в Параллельно оси с. вв Перпендикулярно оси с.
ввв Параллельно оси а. Пространственная группа Параметры решетки при 20 С, нм; с в Плотность при 20'С, г/смз Твердость по Моасу Температура плавления, С Ъ'дельная теплоемко оп при 20"С, /(гк/(кг К) Температурный коэффициент линейного расширения при 20'С цг 105, К Коэффициент теплопроводности при 20'С, Вт/(м. К) Относительная диэлектрическая проницаемость при 20'С и Т= 1 МГц Коэффициент преломления 1 =! мкм 2. = 0,6328 мкм Диапазон оптической прозрачности, мкм Растворимость в 1ОО г воды при 20'С, мг 0,4757 1,2983 3,98 9 2030 760 8,2 вдоль (!00] 7,7 вдоль [ИО] 7,8 вдоль (!1!] 12,9 0,5256 1,1395 6,06 4,5 1540 435 0.52!3 1,1395 4,38 4,3 1430 620 о .Ф к Р о о ч тг Свойство 8гмооа ьы !моочь УУО„ УЛ10з эгуз У2ОЗ Сннгония Кубическая 1ау Тз Тетраго- нальная 14! 7а — См Тетрагональная 74!/а — См Кубическая р Зт — О~ 0,5794 Орторомби ческая з)зз Гексагональная Сб! — 27з Тетрагональная !47ат4 — з)а!а Тригональная Сез.
0,538 1,197 4,15 ! 480 620 0,5179 0,7370 0,5329 5,35 8,5 1850 420 0,533 1,1630 0,4148 0,7354 5,94 4,5 1495 490 0,7133 0,529! 4,22 5,0 1750 0.547 1,3816 0,5112 4,63 5,0 !260 642 4,24 3',5 !400 590 4,79 4,5 1300...135!З 5,04 6,8 2430 456 9,5ь"* 10,8е 12 20 4,04* 4,16е» 2,2 5,1 5,2е 5,!еа 5,6 азз = 38 я!! = 99 7,69 13,7 1,94 , = 1.929 лр = 1,943 лг = 1,952 = 2,2370; 1=1 мкм ле= 2,1567; Х=! мкм не = 2.2967' й =0,6 мкм л,= 2,2082; 8=0,6 мкм 0,4...5 2,1 1,86 2,0 1,42 0,3...5,0 0,2...9 0,3...5,8 0,14...12 0,23...8 0,45...4,8 12,0 0,18 Пространственная группа Параметры решетки при 20'С, нм: а с Ь Плотность при 20 С, г/смз Твердость по Моосу Температура плаалепия, "-С Удельная теплоемкосп, при 20 С, Лзк/1кг К) Температурный коэффициент линейного расширения при 20 С а,. Гйе К Коэффициент теплопроводности при 20 С, Вт/(м К) Относительная диэлектрическая проницаемость при 20'С и 7"= 1 МГц Коэффициент пуеломлення Х=! мкм й = 0,6328 мкм Диапазон оптической прозрачности, мкм Растворимость в 100 г воды при 20'С, мг 17родолэеелие табл.
25.! (4 25.3) А(ягоды выращивания актианьст элементов б11 аычайно распространена в спектроскопии н определяется как т= 1/Х=ч/с= )Р/йс. Поскольну кристаллическое поле слабо влияег на энергетический спектр редкоземельных ионов, то структуры их энергетических уровней в различных матрицах эквивалентны. На всех редкоземельных элементак получена генерация.
На рнс. 25.5 сплошными линиями указаны переходы между электронными уровнями редкоземельных РЗ'+-ионов, на которых наблюдалась генерация. В большинстве случаев лазеры на диэлектриках. активированных редкоземельными элементами, работают по четырехуровневой схеме. Для ионов антиноидного ряда также характерен случай слабого кристаллического поля. Но 51-оболочка экранирована бз. и бр-элементами не так сильно, как 4/-оболочка, поэтому в различных матрицах наблюдаетси заметное смещение энергетических уровней по сравнению с их положением у свободных ионов.
2. Среднее кристаллическое пол е соответствует ионному типу связи и наблюдается для элементов группы железа с недостроенной Зг(-оболочкой. Всамущающее действие поля кристаллической решетки здесь больше величины спин-орбитального взаимодействия электронов„и поэтому здесь возникает большой сдииг уровней энергии ионов, находящихся в кристалле по сравнению со свободными ионами. Уровни энергии могут быть значительно уширены.
По этой причине элементы группы железа используются как эффективныс сенсибилизаторы. Наличие широких полос люминесценции отнрываст также возможность создания лазеров с плавно перестраиваемой длиной волны генерации. Положение энергетических уровней, их ширина, вероятности переходов для одного и того же иона в значительной мере определяются матрицей, в которую помещен такой ион. Типичным примером здесь является ион Сгз+ в решетке А(рОи Свойства этого материала — рубина — рассматриваются далее. 3. Сильное кристаллическое пол е наблюдаетси у парамагнитных центров, сильно связанных с онружающими ионами, когда химическая связь носит скорее не ионный, а ковалентный карактер.
Такая связь проявляется в основном при использовании парамагнитных ионов с незастроенными 40- и бг(-оболочками и изредка для ионов группы железа. Возмущение поля нристаллической решетки в этом случае имеет порядок значения энергии взаимодействия электронов друг с другом. Одно и то же пеле нристаллической ре- щетки может быть сильным для одного иона, средним дли другого и слабым для третьего в зависимости ог того, какой ион введен в решетку, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
