инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия пентобромплюмбита

Классы МПК:C30B29/12 галогениды
C30B11/02 без использования растворителей
H01S3/16 из твердых материалов 
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Институт геологии и минералогии Сибирского отделения Российской академии наук (ИГМ СО РАН) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2008-02-26
публикация патента:

Изобретение относится к получению и использованию новой инфракрасной лазерной матрицы для инфракрасной оптики. Предлагается инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия пентобромплюмбита, которые описываются формулой КXRb1-XPb2Br5, где х изменяется в диапазоне 0,2инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 хинфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 0,5. Полученные кристаллы характеризуются высокой прозрачностью, не рассеивают лазерное излучение, обладают низкими энергиями колебания кристаллической решетки и имеют высокий коэффициент внедрения РЗЭ в матрицу, что обеспечивает возможность реализации лазерного излучения в среднем ИК-диапазоне вплоть до 10 мкм. 5 ил.

Рисунок 1 инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762

Формула изобретения

Инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия пентобромплюмбита, отличающаяся тем, что кристаллы описываются формулой KхRb1-xPb2Br5 , где х изменяется в диапазоне 0,2инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 хинфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 0,5.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к получению и использованию новой инфракрасной лазерной матрицы для среднего ИК-диапазона на основе кристаллов тройного пентобромида калия, рубидия и свинца. Данные кристаллы при легировании редкоземельными элементами (РЗЭ) могут обеспечивать лазерное излучение в ИК-диапазоне вплоть до 10 мкм.

В настоящее время в качестве лазерных матриц для среднего ИК-диапазона используются следующие кристаллы: оксиды, фториды и сульфиды, например (YAlO3:Tm), (Dy:LaF 3), (Dy:CaGa2S4). Перечисленные кристаллы характеризуются довольно высокоэнергетичным фононным спектром, что ведет к большой вероятности безизлучательной релаксации на переходах РЗЭ, обеспечивающих излучение в ИК-диапазоне. Максимальная энергия фононов составляет для оксидов, фторидов и сульфидов примерно 800-900, 600 и 400-500 см-1 соответственно. Это накладывает ограничение на вероятность излучательных процессов в ИК-диапазоне. В результате генерация в кристаллах, легированных РЗЭ, ограничена до 3 мкм в оксидных соединениях, до 4,5 мкм во фторидных и до 6 мкм в сульфидных [Nostrand М.С., Page R.H., Payne S.A., Krupke W.F., Schunemann P.G. and Isaenko L.I., Spectroscopic data for infrared transitions in CaGa2S4 :Dy3+ and KPb2Cl5:Dy3+ //Advanced Solid State Lasers, Bosenberg W.R. and Fejer M.M., ed., OSA TOPS. 19, 1998, P.524-528]. Продвижение в область более длинных волн требует новых лазерных матриц с низкой энергией фононов.

В работе [Isaenko L., Yelisseyev A., Tkachuk A., Ivanova S. New monocrystals with low phonon energy for mid-Ir laser // Mid-Infrared Coherent Sources and Applications. - Dordrecht: Springer, 2008, P. 3-65] продемонстрирована перспективность кристаллов KPb2Br5 и RbPb2Br5 , легированных РЗЭ, для реализации стимулированного излучения в среднем ИК-диапазоне с высоким квантовым выходом. Кристаллы характеризуются узким фононным спектром (<150 см-1 ), благодаря чему переходы, характерные для редкоземельных ионов, являются излучательными и генерация лазерного излучения может продвинуться в средний ИК-диапазон, что составляет значительное преимущество по сравнению с перечисленными выше лазерными матрицами. Кристаллы негигроскопичны и характеризуются высокой химической стойкостью. Тот факт, что лазерная матрица на основе кристаллов бромидных соединений имеет преимущественно излучательный механизм релаксации в широком спектральном диапазоне приводит к эффективной излучательной диссипации энергии возбуждения и компенсирует достаточно низкую теплопроводность (4 W/m*K) этих кристаллов, значительно ослабляет термические эффекты при накачке активированных кристаллов. В кристалле KPb2Br5:Tb получены спектры стимулированного излучения до 9 мкм. Наряду с достоинствами эти кристаллы имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение.

Кристалл RbPb2Br5 относится к тетрагональной модификации I4/mcm и не испытывает фазовых превращений вплоть до температуры плавления и кристаллизуется без дефектов (фиг.1a). [Mel'nikova S.V., Isaenko L.I., Pashkov V.M. and Pevnev I.V. Search for and Study of Phase Transitions in Some Representatives of the APb2X5 Family// Physics of the Solid State, 2006, Vol.48, No. 11, P.2152-2156]. Однако его недостатком является малый коэффициент внедрения РЗЭ в кристаллическую матрицу RbPb2Br5 (для Er порядка 0,04). Это на порядок ниже, чем в KPb2Br 5, что затрудняет возможность получения эффективного инфракрасного лазерного материала (фиг.3). Кристалл KPb2Br5 вырастает в другой структурной модификации и в процессе охлаждения испытывает сегнетоэластический фазовый переход первого рода при температуре T0инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 =519.5K, T0инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 =518.5K (температура кристаллизации 649К), сопровождающийся изменением симметрии mmm-инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 P21/с. В результате появляются оптические неоднородности в виде систематической полосчатой двойниковой структуры (фиг.1г). Такой материал не может быть использован в качестве эффективной лазерной среды, поскольку такого рода дефекты сильно рассеивают лазерный пучок и уменьшают выходные параметры.

Задачей изобретения является создание лазерной матрицы на основе кристаллов калия и рубидия пентобромплюмбита для инфракрасной оптики.

Технический результат заключается в обеспечении возможности реализации лазерного излучения вплоть до 10 мкм при достижении оптического качества и высокой концентрации РЗЭ в кристаллах калия и рубидия пентобромплюмбита.

Ожидаемый эффект увеличения кпд преобразования лазерного излучения при использовании данной лазерной среды составит 10-30% по сравнению с известным кристаллом RbPb2Br5 оптического качества.

Технический результат достигается тем, что кристаллы калия и рубидия пентобромплюмбита характеризуются составом KxRb1-xPb2Br5 , где 0,2инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 ×инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 0,5.

На фиг.1 представлены реальные структуры кристаллов:

a) RbPb2Br5, б) K0,5Rb0,5Pb2Br5 , в) K0,6Rb0,4Pb2Br5 , г) KPb2Br5.

На фиг.2 - зависимость объемов кристаллографической ячейки (V) кристаллов KxRb1-xPb2Br5 при изменении × от 0 до 1: инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 - моноклинной структуры; инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 - тетрагональной структуры.

На фиг.3 - зависимость коэффициента вхождения атомов РЗЭ (kEr ) в кристаллы KxRb1-xPb2Br 5 при изменении х.

На фиг.4 - зависимость температуры фазового перехода (Т,К) в кристаллах Kx Rb1-xPb2Br5 при изменении ×.

На фиг.5 - кристалл K0,5Rb0,5 Pb2Br5 высокого оптического качества, легированный Er3+.

Кристаллы KxRb 1-xPb2Br5 выращены методом Бриджмена-Стокбаргера в вакуумированной ампуле с предварительным синтезом соединений из высокочистых бромидных солей металлов. Как видно из фиг.2, объем кристаллической ячейки кристаллов KxRb1-x Pb2Br5 зависит от изменения ×. При 0инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 хинфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 0,35 структура кристаллов KxRb1-x Pb2Br5 тетрагональная I4/mcm, при 0,35инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 ×инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 1- моноклинная Р21/с.

Было обнаружено, что введение калия в матрицу кристалла RbPb2Br 5 увеличивает коэффициент вхождения атомов РЗЭ в смешанный кристалл (фиг.3). При ×инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 0,2 в смешанном кристалле достигается концентрация РЗЭ, достаточная для эффективной генерации лазерного излучения. С другой стороны, при введении рубидия в кристалл KPb2 Br5 повышается температура фазового перехода. На фиг.4 показано, что при ×инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 0,5 температура фазового перехода близка к температуре плавления смешанного кристалла. Формирование двойниковых областей происходит вблизи температуры плавления, и в процессе закалки кристалл предпочтительно вырастает в монодоменном состоянии. Образование сеток двойниковых границ в смешанных моноклинных кристаллах при ×инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 0,5 резко уменьшается, кристаллы характеризуются высокой прозрачностью и не рассеивают лазерное излучение.

Таким образом, смешанные кристаллы KxRb1-x Pb2Br5 при 0,2инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 ×инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия   пентобромплюмбита, патент № 2354762 0,5 обладают положительными свойствами чистых соединений RbPb2Br5 и KPb2Br5 : они характеризуются низкими энергиями колебаниями кристаллической решетки, что позволяет реализовать лазерное излучение в среднем ИК-диапазоне вплоть до 10 мкм. Кроме того, имеют преимущества по сравнению с чистыми соединениями - сочетание высокого коэффициента внедрения РЗЭ и хорошего оптического качества кристаллов.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Для получения монокристаллического образца K0,2 Rb0,8Pb2Br5 легированного Er 3+(2% мас.), используют исходные реагенты - бромидные соли (KPb2Br5, RbPb2Br5 и ErBr3) марки ОСЧ, которые дополнительно очищали многократной перекристаллизацией с предварительным удалением загрязненных частей. Компоненты KPb2Br5 - 8,0 г, RbPb2Br5 - 47,798 г и ErBr 3 - 1,5 г помещают в ампулу из стекла пирекс и откачивают на вакуумной установке до остаточного давления 10-4 торр., после чего производится отпайка эвакуированной ампулы. Сплавление компонентов проводится в печи при температуре 376°С. При получении однородного расплава производится вращение ампулы в течение суток для полной гомогенизации состава. Выращивание кристаллов проводят по методу Бриджмена-Стокбаргера в кварцевом ростовом контейнере с кристаллоотборником. Печь нагревают, доводя шихту до плавления. Температурный градиент в области роста составляет 4°С/мм. Скорость движения ампулы в холодную зону составляла 4 мм/сутки. Получен образец K0,2Rb0,8Pb 2Br5 массой 75 г. Параметры ячейки: а=8,431Å, b=8,431Å, с=14,505Å, V=1031Å3. Коэффициент внедрения Er составил 0,06.

Пример 2. Для получения образца K0,3Rb0,7Pb2Br5 , легированного Er3+(2% мас.) массой до 65 г, используют исходные компоненты: KPb2Br5, RbPb 2Br5 и ErBr3 высокой чистоты: KPb 2Br5-18,1 г, RbPb2Br5 - 44,529 г, ErBr3-1,3 г. Условия получения, как в примере 1. Параметры ячейки: а=8,416 Å, b=8,416 Å, с=14,474 Å, V=1025,2 Å3. Коэффициент внедрения Er составил 0,084.

Пример 3. Для получения образца K0,5Rb0,5Pb2Br5, легированного Er3+(2% мас.) массой до 65 г, используют исходные компоненты: KPb2 Br5, RbPb 2Br5 и ErBr3 высокой чистоты: KPb 2Br5-29,053 г, RbPb2Br5 -30,621 г, ErBr3-1,3 г. Условия получения, как в примере 1. Параметры ячейки: а=9,314Å, b=8,412Å, с=13,053Å, V=1022,7Å3. Коэффициент внедрения Er составил 0,15. Реальная кристаллическая структура представлена на фиг.1б.

Пример 4. Для получения образца K0,6 Rb 0,4Pb2Br5, легированного Er3+ (2% мас.) массой до 65 г, используют исходные компоненты: KPb 2Br5, RbPb2Br5 и ErBr 3 высокой чистоты: KPb2Br5-35,0 г, RbPb2Br5-15,81 г, ErBr3-1,3 г. Условия получения, как в примере 1. Параметры ячейки: а=9,29Å, b=8,401Å, с=13,045Å, V=1018,6 Å3. Коэффициент внедрения Er составил 0,22. Реальная кристаллическая структура представлена на фиг.1в.

Класс C30B29/12 галогениды

способ получения кристаллов галогенидов таллия -  патент 2522621 (20.07.2014)
кристаллы на основе бромида таллия для детекторов ионизирующего излучения -  патент 2506352 (10.02.2014)
сцинтиллятор для детектирования нейтронов и нейтронный детектор -  патент 2494416 (27.09.2013)
способ выращивания кристаллов галогенидов серебра и таллия -  патент 2487202 (10.07.2013)
способ получения кристаллических заготовок твердых растворов галогенидов серебра для оптических элементов -  патент 2486297 (27.06.2013)
лазерная фторидная нанокерамика и способ ее получения -  патент 2484187 (10.06.2013)
способ получения фторидной нанокерамики -  патент 2436877 (20.12.2011)
неорганический сцинтилляционный материал, кристаллический сцинтиллятор и детектор излучения -  патент 2426694 (20.08.2011)
способ отжига кристаллов фторидов металлов группы iia -  патент 2421552 (20.06.2011)
способ изготовления монокристаллов фторидов кальция и бария -  патент 2400573 (27.09.2010)

Класс C30B11/02 без использования растворителей

Класс H01S3/16 из твердых материалов 

Наверх