بخشی از مقاله
چکیده
در این گزارش، فرآیند رشد، شرایط پایداري فصل مشترك فازهاي جامد و مذاب، ساختار شبکه بلوري و طیفنگاري بلور[Cr4+, Nd3+]:YAG به عنوان یک محیط فعال لیزري با تأثیر و عملکرد دوگانه مورد بحث قرار می گیرد. حضور یون هاي Nd3+ در جایگاه هاي دوازده وجهی، همراه با یونهاي Cr4+ در مراکز چهاروجهی کژواره در شبکه بلوري Y3 Al2 Al3 O12 - به اختصار - YAG، دو تأثیر متمایز از یکدیگر، یعنی بهرهدهی لیزري و کلیدزنی - Q-Switching - را در یک محیط یا ساختار بلوري فراهم میآورد.
مقدمه
[4,5] افزودن یونهاي فعال لیزري نظیر Nd3+ همراه با یون کروم چهار ظرفیتی در بلورهاي میزبان مانند YAG، خصلت دوگانهاي را در یک محیط بلورین فراهم میآورد. بلور [Cr4+, Nd3+]:YAG ، بنابراین محیط فعالی است که در آن بهره دهی لیزري و کارکرد یا اثر Q-switching ، هم بسته و همراه شده اند. در این گزارش، دینامیک فرآیند رشد، شرایط پایداري قطر بلور و عمق فصل مشترك دو فاز - S/L - و طیف نگاري این محیط لیزري داراي تأثیر دوگانه مورد بحث قرار میگیرد.
پارامترهاي رشد بلور در نظام چوکرالسکی
رشد بلور، بطور کلی و رشد بلور از مذاب در نظام چوخرالسکی - Cz - ، به عنوان یکی از عمومیترین و توسعه یافته ترین روش ها، به معنی تشکیل فاز جامد در یک ناحیه مشخص - مرکز دمائی CT منطبق بر مرکز هندسی - CG از سطح آزاد مذاب و مقید به یک جهت بلور شناختی <hkl> معین در امتداد محور کشش - pulling - بلور Zp است. این نظام داراي تقارن محوري است و در صورت برقراري گرادیان هاي دمائی - محوري و شعاعی - مناسب و تنظیم سرعت کشش νp و آهنگ چرخش ωs بلور، فاز جامد از کاورسه - seed - اي که در امتداد جهت <hkl> آماده شده و در نقطه CT بر سطح مذاب فرود آمده است، شکل خواهد گرفت.
افزایش شعاع بلور rs با در نظر داشتن نسبت آن با شعاع بوته، rs / rc ≤ 0.40 براي اکسیدهائی نظیر YAG با کاهش دما از نقطه ذوب Tm ≅2243 k و افزایش طول بلور، به تشکیل مخروط فوقانی منجر می شود. توقف روند افزایش قطر بلور، φ=2rs ، براي کنترل فرآیند رشد بلور با قطر ثابت، یعنی استوانه اي که ارتفاع آن را طول مفید بلور، Ls ، می نامند، در این فناوري و به دلیل تغییر علامت شیب حرارتی، مرحله اي بحرانی است. در شرایط ایده آل، این تحولات دمائی چنان کنترل می شود که قطر سطح مقطع بحرانی - CCS - با کمترین تغییري در طول مفید بلور ادامه یابد.
پایداري و یا ناپایداري فرآیند رشدعموماً در این مقطع تظاهر می کند. پس از کشش بلور به طول مناسب Ls ، با افزایش دما قطر بلور به سرعت کاهش داده می شود. این مرحله پایانی به تشکیل مخروط تحتانی می انجامد. نسبت ارتفاع مخروط ابتداي رشد، hi و مخروط نهائی hf به شعاع بلور به ترتیب، در انتقال حرارت تابشی از سطح جانبی شکل -1 بلورهاي Cr - IV - :YAG که در مقطع بحرانی - ورود به مرحله رشد استوانه اي - یکباره از سطح آزاد مذاب جدا شده اند. فصل مشترك تخت بلور در شکل مشاهده می شود. ناپایداري این فصل مشترك - شعاع انحناء، - k = 0 در اکسیدهاي با نقطه ذوب Tm بالا عمومیت دارد.
کنترل شده و بخش استوانهاي بلور به طول mm و به قطري در حدود φs = 30±1 mm بدون کمترین اختلالی رشد کرده است. مراحل پایانی رشد و کاهش دماي سیستم - با آهنگ - CR ≈ 9oC/hr با موفقیت انجام شده اند. طی رشد بخش استوانه اي به طول Ls ، کاهش دمائی در حدود 20oC/147hr پایداري قطر بلور و عمق فصل مشترك را در شرایط جدید حفظ کرده است - تصویر . - 2 مخروط فوقانی - مسئله زاویه بحرانی - و توزیع تنش حرارتی در مخروط تحتانی نقش مؤثري ایفا می کند. پس از رسیدن به قطري در حدود قطر کاورسه - 5-6 mm - ، کشش بلور و آنگاه چرخش آن متوقف شده و کاهش پله اي دما تا رسیدن به دماي اطاق انجام می گیرد. اختلاف دماي شعاعی در بدنه بلور - ∂T / ∂rs مهم ترین عامل ظهور شکاف - Crack - در این مرحله است.
مراحل تجربی و دینامیک رشد بلور
پس از سنتز مواد اولیه براي رشد [Crn+, Ca2+]:YAG و [Nd3+, Crn+, Ca2+]:YAG شامل اکسیدهاي Y2O3 ، Al2O3 و Nd2O3 با درجه خلوص 5N ، Cr2O3 و CaO - یا - Ca CO3 با درجه خلوص 4N در دماي 1620±25 k طی 24 ساعت و ذوب دو مرحله اي آن در بوته ایریدیومی به حجم ~ 785.40 cm3 و ظهور الگوي خطوط شعاعی منظم در سطح مذاب، نظام به مدت دو ساعت در حال تعادل نگاه داشته شد.
آنگاه فرآیند رشد، با تماس کاورسه - φ≅5mm - YAG ، بر مرکز تلاقی خطوط شعاعی - CG/CT - در سطح آزاد مذاب، به عمق h m ≅92 mm ، در جهت بلور شناختی <111> آغاز شد. سرعت کششی در حدود 0.62 mm/hr و آهنگ چرخشی بلور برابر 24 rpm، همراه با کاهش دمائی در حدود 59±1.0 K - یعنی ~2.63% دماي ذوب - طی 61 hr به تشکیل مخروط فوقانی به ارتفاع hi = 48.5 mm و قطر قاعدهاي برابر φi ≅38.5 mm انجامید. شرایط رشد در این مرحله پایدار بوده و طی آن اختلال قابل اندازه گیري یا نوسان قابل ثبت در توان ورودي مشاهده نشده است.
