بخشی از مقاله
چکیده :
تک بلورهاي - X=12.5 at% , X=4.5% - Y3 - 1-X - Yb3X Al5O12 در جهت بلورشناختی <111> با قطرهایی در حدود 37.5≤Φ≤39.0 mm و طول مفید - داراي قطر ثابت - 74≤ L′≤120 mm به روش چوخرالسکی و با کیفیت اپتیکی براي کاربرد در مهندسی لیزر رشد داده شدند. بررسی نتایج طیف نگاري از سطح مقطع هاي فوقانی و تحتانی بلورهاي سه گانه Yb:YAG تفاوت چشمگیر ضریب توزیع موثر یون Yb3+ ، نسبت به یون Nd3+ ، بین دوفاز - جامد و مذاب - را آشکار می سازد. محدودیت توسعه صفحات سه گانه - 110 - در رشد بلورهاي Yb:YAG در برابر انکشاف این صفحات بلور شناختی در بلورهاي Nd:YAG بر پایه تفسیر هندسی چرنوف و یک مدل ریاضی براي تحلیل عددي رشد بلورهاي RE3+:YAG مورد بحث قرار گرفته است.
-1 مقدمه
در دهه اخیر رشد بلور با آلایش یون Yb3+ - 4f13 5d0 6s0 - در شبکه هاي بلوري میزبان براي آشکارسازهاي سوسو کنندة - Scintillators - سریع ذرات نوترینیوي خورشید [1] و براي لیزرهاي حالت جامد با دمش دیودي - DPSSL - پرتوان و کارآمد [2-3] ، به ویژه پس از توسعه لیزرهاي دیودي - 0.9< λp <1.7 InGaAs μm - ، دامنه پژوهشی فزاینده اي یافته است. در این میان Yb:YAG با طول موج لیزري λl =1.030 μm به دلیل نقصان کوانتومی ηQD=1- - λp- λl - به مراتب - ~50% - کمتر این محیط فعال نسبت به Nd:YAG ، فقدان خاموشی خودکار - Self Quenching - و بارگیري گرمایی - Thermal Loading - کمتر آن نسبت به Nd:YAG ، جایگاه پراهمیتی در مهندسی لیزرهاي
حالت جامد یافته است.
-2 نتایج تجربی حاصل از رشد بلور
بلورهاي Y3 - 1-X - Yb3X Al5O12 با آلایش X=4 .5 at% و X=12.5 at% در نظام چوخرالسکی - 35 kVA; 2.5 kHz - و در محیط آرگون از یک بوته ایریدیومی Φ100×100 mm2 رشد داده شدند. فرایند رشد هر سه بلور یکسان، با آهنگ کششی معادل 1.1mm/hr و با سرعت چرخشی در حدود 20<ω<24 در جهت بلور شناختی <111> انجام گرفته است. ابعاد - طول مفید اپتیکی×قطر بلور - بلورهاي حاصل از تجربههاي سهگانهرشد برابر 39.0×L΄82.0 mm2Φ ، و39.0×L΄120 mm2Φ اندازهگیري شده است
در رشد بلورهاي Yb:YAG به لحاظ فنی کمترین تفاوتی با فرآیند رشد بلور Nd:YAG مشاهده نشد اما فرایند استخراج کل مواد باقی مانده - RME - در بوته رشد در مقایسه با تجربههاي مکرر این عملیات براي Nd:YAG آشکارا متفاوت بوده است. طیفنگاري جذبی سطح مقطع هاي فوقانی و تحتانی عمود بر محور رشد به تقریب ضریب توزیع مؤثر یون Yb3+ بین دوفاز جامد و مذابαSL ≅ 0.984 انجامیده است که به مراتب بزرگتر از αSL - Nd3+ - ~ 0.18 است. از سوي دیگر و متمایز از بلورهاي Nd:YAG ، منطقه هاي موسوم به برگسان جانبی، داراي ضریب شکست متفاوت از منطقه اصلی در سطح مقطعهاي Su و St توسعه نیافته و محدود به ناحیه مرکزي به قطري در حدود 10-12.5% قطر بلورهاي حاصل از این تجربهها است.
در این گزارش، مشاهدات تجربی اشاره شده مورد تحقیق قرار گرفتهاند.
شکل:1 بلورهاي Y3 - 1-X - Yb3X Al5O12 با آلایش X=4 .5 at% و X=12.5 at%
-3 تفسیر هندسی انکشاف وجوه فرعی در فصل مشترك جامد و مذاب
منطقه موسوم به برگسان جانبی که با ضریب شکستی متفاوت از سطح مقطع مفید اپتیکی - صفحه - 111 - بلور شناختی - بلورهاي Nd - ~1.0 at% - تحت تنش سنج اپتیکی و نیز با عبور پرتو لیزر He-Ne - 10mW - سیماي متقارن خود را آشکار می سازند، در بلورهاي Yb - 4.5 at% - :YAG قابل مشاهده نبودند و در بلور Yb - 12.5 at% - :YAG توسعه نیافته و محدود به ناحیه مرکزي سطح مقطع بلور است.
در عین حال امتداد برگسان مرکزي به قطري کمتر از 4.3 mm در سراسر طول L΄ بلورهاي حاصل از این تجربه سه گانه مشاهده شده است. شواهد تجربی و همانندپردازيهاي رایانهاي نشان دادند که انحناي فصل مشترك فازهاي جامد و مذاب Ke و سیماي هندسی - سهمیگون و یا مخروطی - آن، که با همدماي Te=Tf - Isotherm - متناظر است، در ظهور و انکشاف مناطق برگسان هاي مرکزي و جانبی ناشی از رشد وجوه فرعی - Facet - در همسایگی صفحه اصلی - عمود بر رشد - بلور شناختی، نقش تعیین کنندهاي ایفا میکند.
رشد بلورهاي اکسید نظیر LBO, GGG, YAG با آلایشهاي متفاوت RE3+ از مذاب بطور کلی تمایل به تشکیل وجوه فرعی با اندیس میلر پایین را نشان میدهد. رشد بلورهاي RE3+:YAG با فصل مشترك تخت - Ke=0 - هرچند مانع تشکیل وجوه فرعی - به دلیل برابري سرعتهاي رشد در هر نقطه از جبهه انجماد - است اما با توجه به تابعیت زمانی شرایط رشد بلور، در واقع فرآیندي ناپایدار است و با تغییرات جزئی در این شرایط، در فاصله زمانی بسیار اندك و به گونهاي ناگهانی به فصل مشترکی با تقعر به سمت جامد - Ke<0 - تحول مییابد. بر پایه تفسیر هندسی چرنوف [5] میتوان نشان داد که رشد بلور با فصل مشترك عمیق - شعاع انحناي Re=1/Ke کاهش یافته -
شیوه پایدارتري براي ممانعت از شکلگیري وجوه فرعی و انکشاف برگسان جانبی است. شماي هندسی تشکیل وجوه فرعی <110> در رشد بلورهاي RE3+:YAG در جهت بلور شناختی <111> در شکل 2 داده شده است. در عین حال تاکید میشود که در تجربههاي سه گانه رشد بلور Yb:YAG مورد گزارش، طراحی درونی نظام چوخرالسکی، پارامترهاي رشد، نوع و فشار گاز درون محفظه تفاوت محسوسی با تجربه هاي پیشین در مورد Nd:YAG وجود نداشته است.
شکل:2 نمایش هندسی انکشاف وجوه فرعی - 110 - در جبهه انجماد رشد بلورهاي RE:YAG
به عبارت دیگر، فقدان منطقههاي برگسان جانبی در بلورهاي Yb:YAG ناشی از برقراري شرایط خاص یا نتیجه تغییري در پارامترهاي رشد - نظیر آهنگ چرخش و سرعت رشد بلور - نبوده است. همچنین، با استناد به تجربه اخیر در کشش بسیار سریع بلور Yb:YAG در حال رشد از مذاب - داراي فصل مشترك عمیق و مخروط کامل - در این تردیدي نیست که بلورهاي Yb:YAG با فصل مشترك تخت رشد نیافتهاند. بنابراین انتظار میرود که آلایش Yb3+ در Y3Al5O12 ویژگیهاي ترموفیزیکی فازهاي جامد و مذاب را به نحوي متمایز از آلایش Nd3+ و به گونهاي تغییر میدهد که ظهور و توسعه وجوه فرعی - 110 - در فصل مشترك دو فاز مورد امتناع قرار میگیرد. بررسی دیاگرامهاي ذوب-انجماد در تجربه هاي متعدد RME - خارج کردن کل مواد باقیمانده در بوته پس از شد بلور - به روشهاي متفاوت و مقایسه آنان با همین تجربه براي Nd:YAG ، فرض پیشگفته را تأئید میکند. مشاهدات تجربی و دیاگرامهاي ذوب-انجماد نشان داده است که میانگین آهنگ کاهش دما ، CR ، در فرآیند RME براي Yb:YAG آشکارا بسیار کمتر - ~ 65% - از CR براي Nd:YAG است و آلایش Yb3+ در YAG ضریب پخش گرمائی ، αT = λ/CP ρ ؛ را در فازهاي جامد و مایع افزایش میدهد. در اینجا λ ضریب هدایت حرارتی، CP گرماي ویژه و ρ جرم حجمی است.
-4 محاسبات عددي و همانندپردازي تطبیقی رشد بلورهاي RE3+:YAG
محاسبات عددي به روش تفاضلهاي محدود - FDM -
براي انتقال حرارت و مومنتوم در نظام دوبعدي - داراي تقارن محوري - براي رشد بلورهاي RE3+:YAG به شیوة چوخرالسکی منطبق با ابعاد تجربههاي مورد گزارش حاضر به نتایج قابل ملاحظهاي انجامیده است.
