Wpływ dodatku jonów krzemu, wapnia i magnezu na mikrostrukturę i właściwości optyczne polikrystalicznego granatu itrowo-glinowego domieszkowanego chromem

• Autorzy: Wajler Anna , Nakielska Magdalena , Węglarz Helena

Warianty tytułu

EN

Impact of the addition of silicon, calcium and magnesium ions on the microstructure and optical properties of chromium-doped polycrystalline aluminium-chromium garnet

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W pracy badano polikrystaliczny granat itrowo-glinowy domieszkowany chromem (Cr:YAG), wytwarzany metodą spiekania reakcyjnego w próżni tlenków glinu, itru i chromu. Jako dodatki stabilizujące jony Cr4+ zastosowano tlenek magnezu oraz tlenek wapnia. Potwierdzono, że Mg2+, jak i Ca2+, mogą służyć jako jony kompensujące ładunek, a także jako dodatki ułatwiające spiekanie. Zbadano wpływ zawartości jonów Ca2+ i Mg2+ oraz wygrzewania w powietrzu po spiekaniu na mikrostrukturę i właściwości spektroskopowe wytwarzanych materiałów. Określono również wpływ dodatku krzemu na właściwości spektroskopowe Cr:YAG. Widma emisyjne Cr:YAG, otrzymane przy pobudzaniu promieniowaniem o długości fali 450 nm, zmieniały się wraz z warunkami wygrzewania w powietrzu. Zwiększanie temperatury lub czasu wygrzewania w powietrzu powodowało stopniowy wzrost poziomu emisji w zakresie około 1400 nm, co można przypisać zmianie stopnia utlenienia jonów chromu z Cr3+ do Cr4+. Zmiany te były znacznie słabsze w przypadku materiałów otrzymanych z dodatkiem jonów krzemu, co świadczy o niepożądanej stabilizacji chromu na trzecim stopniu utlenienia przez krzem.

EN

The study examined polycrystalline chromium-doped yttrium-aluminium garnet (Cr: YAG), produced by vacuum reaction sintering of aluminium, yttrium and chromium oxides. Magnesium oxide and calcium oxide were used as additives stabilizing Cr4+ ions. It was confirmed that Mg2+ and Ca2+ can serve as charge-compensating ions as well as sintering additives. The effect of content of Ca2+ and Mg2+ ions and the post sintering annealing in air on the microstructure and spectroscopic properties of the materials produced were investigated. The effect of silicon addition on Cr: YAG spectroscopic properties was also determined. The Cr:YAG emission spectra obtained by stimulation with 450 nm radiation varied with annealing conditions. Increasing the temperature or time of air annealing resulted in a gradual increase in the emission level in the range of about 1400 nm, which can be attributed to the change in the degree of oxidation of chromium ions from Cr3+ to Cr4+. These changes were less pronounced in the case of materials obtained with the addition of silicon ions, which indicates the undesirable stabilization of chromium in the third degree of oxidation by silicon.

Słowa kluczowe

PL

granat itrowo-glinowy; ceramika przezroczysta; pasywne modulatory dobroci

EN

yttrium-aluminium garnet; transparent ceramics; Q-switching

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 71, nr 3
• Strony: 212--219
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Wajler Anna

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Nakielska Magdalena

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

autor

Węglarz Helena

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa

Bibliografia

• [1] Tsai, C.-N., Huang, K.-Y., Tsai, H.-J., Chen, J.-C., Lin, Y.-S., Huang, S.-L.: Distribution of Oxidation States of Cr Ions in Ca or Ca/Mg Co-Doped Cr:Y3Al5O12 Single-Crystal Fibers with Nitrogen or Oxygen Annealing Environments, J. Crystal Growth, 310, 1, (2008), 2774–2779.
• [2] Dong, J., Deng, P.-Z., Zhang, Y.-H., Liu, Y.-P., Xu, J., Chen, W., Xie, X.: Passively-Q-switched Yb:YAG laser with Cr4+:YAG as a saturable absorber, Appl. Optics, 40, 24, (2001), 4303–4307.
• [3] Feldman, R., Shimony, Y., Burshtein, Z.: Dynamics of chromium ion valence transformations in Cr, Ca:YAG crystals used as laser gain and passive Q switching media, Opt. Mater., 24, (2003), 333–344.
• [4] Okhrimchuk, A. G., Shestakov, A. V.: Performance of YAG:Cr4+ laser crystal, Opt. Mater., 3, (1994), 1-13.
• [5] Shimony, Y., Kalisky, Y., Chai, B. H. T.: Quantitative atudies of Cr4+:YAG as a saturable absorber for Nd:YAG laser, Opt. Mater., 4, (1995), 547-551.
• [6] Mikhailov, V. P., Kuleshov, N. V., Zhavoronkov, N. I., Prokoshin, P. V., Yumashev, K. V., Sandulenko, V. A.: Optical absorption and nonlinear transmission of tetrahedral V3+ (d2) in yttrium aluminum garnet, Opt. Mater., 2, (1993), 267-272.
• [7] Kajava, T. T., Gaeta, A. L.: Q-switching of a diode-pumped Nd:YAG laser with GaAs, Opt. Lett., 21, 16, (1996), 1244-1246.
• [8] Ikesue, A., Yoshida, K., Kamata, K.: Transparent Cr4+ doped YAG ceramics for tunable lasers, J. Am. Ceram. Soc., 78, (1995), 2545-2547.
• [9] Yagi, H., Takaichi, K., Ueda, K., Yanagitani, T., Kaminskii, A. A.: Influence of annealing conditions on the optical properties of chromium-doped Y3Al5O12, Opt. Mater., 29, (2006), 392-396.
• [10] Takaichi, K., Lu, J., Murai, T., Uematsu, T., Shirakawa, A., Ueda, K., Yagi, H., Yanagitani, T., Kaminskii, A. A.: Chromium doped Y3Al5O12 ceramic: a novel saturable absorption for passive self Q-switched 1 µm solid-state lasers, Jpn. J. Appl. Phys., 41, (2002), L96-L98.
• [11] Kalisky, Y.: Cr4+ doped crystals: their use as lasers and passive Q-switches, Prog. Quantum Electron., 26, (2004), 249-303.
• [12] Sakai, H., Kan, H., Taira, T.: 1MW peak power single-mode high-brightness passively Q-switched Nd3+:YAG microchip laser, Opt. Express, 16, (2008), 19891-19899.
• [13] Feng. Y., Lu, J., Takaichi, T., Ueda, K., Yagi, H., Yanagitani, T., Kaminskii, A. A.: Passively Q-switched ceramic Nd3+:YAG/Cr4+:YAG lasers, Appl. Opt., 43, (2004), 2944-2947.
• [14] Kong, J., Zhang, Z. L., Tang, D. Y., Xie, G. Q., Chan, C. C., Shen, Y. H.: Diode- end-pumped passively Q-switched Nd:YAG ceramic laser with Cr4+:YAG saturable absorber, Laser Phys., 18, (2008), 1508-1511.
• [15] Lan, R., Wang, Z., Liu, H., Yu, H., Guo, L., Chen, L., Zhang, S., Xu, X., Wang, J.: Passively Q-swiched Nd:YAG ceramic laser towards large pulse energy and short pulse width, Laser Phys., 20, (2010), 187-191.
• [16] Yu, J. H., Zhang, H., Wang, Z., Wang, J., Yu, Y., Zhang, X., Lan, K., Jiang, M.: Dual wavelength neodymium-doped yttrium aluminum garnet laser with chromium-doped yttrium aluminum garnet as frequency selector, Appl. Phys. Lett., 94, (2009), 041126.
• [17] Wajler, A., Węglarz, H., Sidorowicz, A., Zych, Ł., Nakielska, M., Jach, K., Tomaszewski, H.: Preparation of transparent neodymium-doped yttrium aluminate garnet (Nd:YAG) ceramics with the use of freeze granulation, Opt. Mater., 50, (2015), 40-46.
• [18] Yagi, H., Takaichi, K., Ueda, K. Yanagitani, T., Kaminskii, A. A.: Influence of annealing conditions on the optical properties of chromium-doped ceramic Y3Al5O12, Opt. Mater., 29, (2006) 392-396.
• [19] Ikesue, A., Aung, Y. L.: Synthesis of Yb:YAG Ceramics Without Sintering Additives and their Performance, J. Am. Ceram. Soc., 100, 1, (2017), 26-30.
• [20] Zhou, T., Zhang, L., Li, Z., Wei, S., Wu, J., Wang, L., Yang, H., Fu, Z., Chen, H., Tang, D., Wong, C., Zhang, Q.: Toward vacuum sintering of YAG transparent ceramic using divalent dopant as sintering aids: Investigation of microstructural evolution and optical property, Ceram. Int., 43, 3, (2017), 3140-3146.