Технології отримання монокристалів боратів, ванадатів, вольфраматів та молібдатів для активних елементів лазерів з довжинами хвиль 1,06 і 1,5 мкм

Abstract

Розроблена нова технологія вирощування монокристалів подвійних ортоборатів Ca3RE2(BO3)4 (RE = Y, Gd), в основі якій лежить ступінчатій твердофазний синтез при температурах 110-140°С, 210-230°С, 450-500°С, 730- 750°С тривалістю 10-12 годин для кожного температурного інтервалу, що забезпечує отримання шихти стехіометричного складу. Продемонстрована можливість вирощування методом Чохральського чистих та активованих іонами РЗЕ (Nd, Yb, Er) монокристалів без домішкових фаз з використанням Pt або Ir тиглів і кристалізації до 70% розплаву. Вперше здійснено повне заміщення рідкісноземельного катіона (Y або Gd) в кристалах Ca3RE2(BO3)4 на Nd. Вирощено новий монокристал Ca3Nd2(BO3)4, розшифрована його кристалічна структура. Вперше отримана лазерна генерація на довжині хвилі 1,06 мкм при використанні активних елементів кристала Ca3Y2(BO3)4:Nd при ламповому накачуванні, а при використанні активних елементів кристала Ca3Gd2(BO3)4:Nd – з параметрами, що значно перевищують опубліковані в літературі при аналогічному тестуванні. На основі монокристалів Ca3RE2(BO3)4:Yb,Er (RE = Y, Gd) створені нові активні елементи для лазерів з довжиною хвилі 1,53 мкм та сумісно з Білоруським національним технічним університетом розроблені макети лазерів з параметрами: довжина хвилі 1,53 мкм, диференціальний ККД 13%, вихідна потужність до 0,5 Вт в режимі безперервної генерації. Вперше розроблена технологія вирощування кристалів подвійних ортованадатів, які не містять центрів розсіювання. Вперше при використанні активних елементів Сa9La(VO4)7:Nd та Ca10Li(VO4)7:Nd при ламповому накачуванні отримана лазерна генерація на довжині хвилі 1,06 мкм з диференціальним ККД 0,99% та 0,87% в режимі вільної генерації, відповідно. Вперше отримані нові нецентросиметричні монокристали Сa9Nd(VO4)7, Ca10M(VO4)7 (М – Li, Na, K) та Ca10,5–xPbx(VO4)7 (х=1,8; 3,5; 4,9), які розширюють номенклатуру лазерних та нелінійно-оптичних матеріалів. Для кристала твердого розчину Ca9Y(VO4)3(PO4)4 не зафіксовано фазового переходу R3 c  R3c, отримана високотемпературна центросиметрична модифікація R3 c, яка зберігається в інтервалі температур Тпл-Тк, визначені параметри елементарної комірки цієї модифікації. Вирощені, вперше досліджені та ідентифіковані лінії в спектрах КР монокристалів твердих розчинів вольфрамату-молібдату свинцю PbW0,5Mo0,5O4. Для цих кристалів і кристалів SrWO4, CaMoO4 отримано ВКР випромінювання першої, другої і третьої стоксових компонент. Разработана новая технология выращивания монокристаллов двойных ортоборатов Ca3RE2(BO3)4 (RE = Y, Gd), в основе которой лежит ступенчатый твердофазный синтез при температурах 110-140°С, 210-230°С, 450-500°С, 730-750°С продолжительностью 10-12 часов для каждого температурного интервала, что обеспечивает получение шихты стехиометрического состава. Продемонстрирована возможность выращивания методом Чохральского чистых и активированных ионами РЗЭ (Nd, Yb, Er) монокристаллов без примесных фаз с использованием Pt или Ir тиглей и кристаллизации до 70% расплава. Впервые проведено полное замещение редкоземельного катиона (Y или Gd) в кристаллах Ca3RE2(BO3)4 на Nd. Выращен новый монокристалл Ca3Nd2(BO3)4, расшифрована его кристаллическая структура. Впервые получена лазерная генерация на длине волны 1,06 мкм при использовании активных элементов кристалла Ca3Y2(BO3)4:Nd с ламповой накачкой, а при использовании активных элементов кристалла Ca3Gd2(BO3)4:Nd - с параметрами, превосходящие опубликованные в литературе при аналогичном тестировании. На основе монокристаллов Ca3RE2(BO3)4:Yb,Er (RE = Y, Gd) созданы новые активные элементы для лазеров с длиной волны 1,53 мкм и совместно с Белорусским национальным техническим университетом разработаны макеты лазеров с параметрами: длина волны 1,53 мкм, дифференциальный КПД 13%, выходная мощность до 0,5 Вт в режиме непрерывной генерации. Впервые разработана технология выращивания кристаллов двойных ортованадатов не содержащих центров рассеяния. Впервые при использовании активных элементов Сa9La(VO4)7:Nd и Ca10Li(VO4)7:Nd при ламповой накачке получена лазерная генерация на длине волны 1,06 мкм с дифференциальным КПД 0,99% и 0,87% в режиме свободной генерации, соответственно. Впервые получены новые нецентросимметричные монокристаллы Сa9Nd(VO4)7, Ca10M(VO4)7 (М - Li, Na, K) и Ca10,5-xPbx(VO4)7 (х=1,8; 3,5; 4,9) , которые расширяют номенклатуру лазерных и нелинейно-оптических материалов. Для кристалла твердого раствора Ca9Y(VO4)3(PO4)4 не зафиксировано фазового перехода R3cR3c, получена высокотемпературная центросиметрична модификация R3c, которая сохраняется в интервале температур Тпл-Тк, определенные параметры элементарной ячейки этой модификации. Выращены, впервые исследованы и идентифицированы линии в спектрах КР монокристаллов твердых растворов вольфрамата-молибдата свинца PbW0,5Mo0,5O4. Для этих кристаллов и кристаллов SrWO4, CaMoO4 получено ВКР излучения первой, второй и третьей стоксовых компонент. The new crystal growth technology of binary borate Ca3RE2(BO3)4 (RE = Y, Gd) has been developed. The technology is based on solid state synthesis at 110-140°С, 210-230°С, 450-500°С, 730-750°С for 10-12 hours for every temperature interval. These conditions supply synthesis of stoichiometric charge. The growth of pure and Nd, Yb, Er – doped crystals free of impurity phases by the Czochralski method with the use of Pt or Ir crusibles and crystallization up to 70% melt has been demonstrated. Full substitution of rare earth cations (Y or Gd) by Nd has been done and new Ca3Nd2(BO3)4 single crystal has been grown for the first time. Its crystal structure was identified. Laser operation at 1.06 m for the active element of Ca3Y2(BO3)4:Nd crystal under flash lamp pumping in free running mode has been demonstrated for the first time. Parameters of laser operation for the active element of Ca3Gd2(BO3)4:Nd crystal were better than published erlier and obtained under the same conditions. New active elements of Ca3RE2(BO3)4:Yb,Er (RE = Y, Gd) single crystals for 1.53 m lasers have been produced. The working model of laser operating at 1.53 m under diode pumping has been developed together with Belarusian National Technical University. The parameters of working model of laser: wavelength - 1.53 m, slope efficiency – 13%, output power – up to 0.5 W, contnious wave operation. The crystal growth technology of binary vanadates free of scattering centers has been developed. Laser operation at 1.06 m for the active elements of Сa9La(VO4)7:Nd and Ca10Li(VO4)7:Nd crystals under flash lamp pumping in free running mode with slope efficiencies of 0.99% and 0.87%, respectively has been demonstrated for the first time. New single crystals Сa9Nd(VO4)7, Ca10M(VO4)7 (М - Li, Na, K) and Ca10.5-xPbx(VO4)7 (х=1.8; 3.5; 4.9) with non-symmetrical crystal structure have been grown for the first time. These crystals extend the range of non-linear optic materials. The R3cR3c phase trasition was not observed for Ca9Y(VO4)3(PO4)4 crystal. High temperature structure modification R3 c has been obtained at room temperature and its unit sell parameters have been studied. The lead tungstate molybdate solid solution, SrWO4 and CaMoO4 crystals have been grown. Raman spectra of the crystals have been studied and peaks identified. For PbW0,5Mo0,5O4, SrWO4 and CaMoO4 crystals 1nd, 2nd and 3rd Stokes have been observed.