News image News image News image News image News image News image News image News image


Оксидная лазерная нанокерамика: технология и перспективы
Новости и технологии - Технологии

 

В последние годы резко возрос интерес к оптическим керамикам, в первую очередь, на основе важнейшего материала твердотельных лазеров - иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12:Nd3+ (ИАГ:Nd), а также на основе оксидов редкоземельных элементов. Такая керами-ка может быть использована, например, при создании изделий, работающих при высоких температурах, в силу весьма малой ползучести при таких условиях, в качестве колб газораз-рядных ламп с различным спектром свечения, оптических окон с широким интервалом про-зрачности, в качестве оптических и люминесцирующих элементов, чувствительных элементов детекторов рентгеновского излучения, магнитооптических элементов и особенно в качестве активных элементов мощных и сверхмощных твердотельных лазеров. Со-временные методы получения оптических оксидных керамик основаны, главным образом, на использовании нанопорошков оксидов, т.е. являются методами нанотехнологии.

Уже много лет в ряде ведущих лазерных организаций Японии, США, КНР и России ак-тивно проводятся исследования по разработке твердотельных лазеров с керамическими актив-ными элементами. Спектроскопические и генерационные свойства лазерных керамик близки к таковым для кристаллов того же состава, а механические свойства лучше, чем у кристаллов. Керамики, в отличие от монокристаллов, могут быть получены в форме образцов достаточно больших размеров при обеспечении высокой оптической однородности и возможности введе-ния повышенной концентрации активаторных ионов при их однородном распределении по объему. Современные пластинчатые образцы керамики ИАГ:Nd, производимые японской фирмой Konoshima Chemical Co., позволили получить выходную мощность твердотельного ла-зера 67 КВт в квазинепрерывном режиме с полупроводниковой диодной накачкой]. В по-следнее время промышленная технология лазерной керамики ИАГ:Nd разрабатывается фир-мой Raytheon, известным производителем компонентов и систем датчиков для спецпримене-ний. Эта компания и фирма Northrop Grumman уже провели испытания прототипов ла-зерных модулей на основе керамики ИАГ:Nd c выходной мощностью 15-20 КВт в квазине-прерывном режиме, с целью создания полевого лазера мощностью 100 кВт. Мощные твер-дотельные лазеры с активными элементами из лазерной керамики имеют ряд преимуществ по сравнению с ныне используемыми химическими лазерами – компактность, быстроту запуска, простоту управления, безопасность для персонала и т.д. Поэтому разработка нанокерамики для таких лазеров является важной и актуальной задачей.

В настоящее время есть два основных подхода к получению исходных материалов для таких керамик: обычный твердофазный керамический синтез (ТФС) с использованием оксидов, и нанотехнология химического соосаждения с последующей прокалкой осадков-прекурсоров до получения нанопорошков готовых соединений необходимого качества и шликерным литьем заготовок (НХСШЛ). В обоих случаях обычно используются исходные нанопорошки, а процесс спекания компактированных образцов вы-полняется в вакууме или в атмосфере водорода при температурах 1700-1900 оС. Процесс ТФС включает смешение коммерческих нанопорошков, холодное изостатическое прессование пресс-порошков с органическим связующим после их распылительной сушки (обе операции требуют достаточно сложного и дорогого оборудования) и спекание компактов в вакууме. Этот метод не может обеспечить однородное распределение лазерных ионов на молекуляр-ном уровне и имеет некоторые ограничения по величине оптических потерь. Метод НХСШЛ включает шликерное литье в пористые формы. Используемые здесь нанопорошки с нанозер-нами сферической формы обычно получаются путем процесса химического соосаждения из хлоридных растворов. Оба этих подхода могут дать керамические материалы приемле-мого качества, однако, размеры получаемых элементов больше, а оптические потери в них меньше при использовании химического соосаждения. Поэтому мы в наших институтах РАН использовали этот метод со значительной модификацией для получения лазерной нанокера-мики ИАГ:Nd.

Наноразмерные порошки ИАГ получались путем термообработки прекурсоров, осаж-даемых из водных растворов нитратов Y, Nd и Al. В качестве источника Al использовались также квасцы NH4Al(SO4)2.12 Н2О. Осадителем служил раствор бикарбоната аммония. Полу-ченные осадки прекурсоров промывались и высушивались до постоянного веса при нагреве до 105 – 140 оС. Нанопорошки ИАГ:Nd. получались путем температурной обработки прекурсо-ров при их нагреве до заданной температуры в пределах 850 – 1300оС и выдержке при этой температуре от 1 до 5 часов на воздухе. Контролировались химический состав, морфология и величина удельной поверхности как прекурсоров, так и порошков ИАГ:Nd, полученных про-калкой. Было исследовано влияние скорости сливания растворов на фазовый состав, морфоло-гию и размер наночастиц ИАГ:Nd, выбраны оптимальные условия соосаждения и создана достаточно производительная автоматизированная установка для проведения этого процесса.

Полученные порошки имели форму зерен, близкую к сферической. По мере увеличения температуры синтеза удельная поверхность порошков ИАГ:Nd уменьшается. Так, если пре-курсор имел величину поверхности 95 м2/г, то после синтеза при 950оС она снижалась до 40 м2/г, а после синтеза при 1000 и 1300 оС до 29 и 3 м2/г соответственно. Наиболее сущест-венными требованиями к порошкам для получения прозрачной керамики является именно малый размер зерен (порядка 100 нм), сферичность формы и монодисперсность. Полученные нанопорошки ИАГ:Nd., в основном, удовлетворяют этим требованиям. Поскольку нанопо-рошки имеют большую склонность к агломерации, весьма важным дополнительным требова-нием является отсутствие жестких агломератов, которые практически не разрушаются при по-следующем помоле.

Тщательный выбор условий эксперимента позволил получать слабо агломерированные нанопорошки ИАГ:Nd с диаметром частиц от 60 до 200 нм. Очень сложной проблемой являет-ся компактирование нанопорошков. Проанализировано несколько методов компактирования, но наиболее детально нами изучено компактирование нанопорошков ИАГ:Nd методом колло-идного литья под давлением из водных шликеров с добавкой полиакрилата аммония в качестве дисперганта. Эта методика позволяет снизить требования к качеству нанопорошков за счет применения значительного внешнего давления (до 200 МПа). Суспензия нанопорошка ИАГ:Nd в воде подвергалась помолу в агатовой ступке с агатовыми шарами для разрушения мягких агломератов. Добавка в суспензию полиакрилата аммония существенно понижает вяз-кость шликера даже при высокой концентрации в нем сухого вещества (до 44 объемных %). Все это дает возможность получить заготовки с плотностью, превышающей 60% от теоретиче-ской плотности монокристалла ИАГ:Nd. Заготовки диаметром 27 и толщиной 2-9 мм спека-лись в вакууме при 1700-1800 оС. Спектры поглощения и люминесценции полученных про-зрачных керамик ИАГ:Nd соответствуют спектрам монокристаллов .

Первые результаты по генерации квазинепрерывного низкопорогового стимулированного излучения (1.064 и 0.946 мкм) были получены  с тонкими (около 1,5 мм) пластинками из керамики ИАГ:Nd с входной средней мощностью около одного ватта при использовании диод-но-лазерной накачки. Пути улучшения параметров генерации очевидны – оптимизация условий лазерного возбуждения, подбор зеркал, увеличение толщины элемента, изменение формы эле-ментов для улучшения теплоотвода и т.д. Например, с керамической пластинкой толщиной около 5 мм при тех же условиях возбуждения была получена выходная мощность генерации около 3 Вт  при мощности накачки около 18 Вт. Разработанная нами нанотехнология по-зволяет получать керамические ИАГ:Nd элементы для лазеров с выходной мощностью до 100Вт. В настоящее время проводится модификация технологии для получения элементов больше-го размера.

Указанные выше результаты относятся к области практического применения. Есть целый ряд направлений дальнейшего развития этих работ. Это расширение номенклатуры оксидов для лазерных керамик, включая, например, разупорядоченные среды для активных элементов лазе-ров с ультракороткими импульсами излучения, расширение перечня используемых генерирую-щих активаторных ионов, создание сложных оптических структур (в том числе, волноводных) и управляемого распределения активаторов для улучшения выходных параметров лазеров, изу-чение эффектов вынужденного комбинационного рассеяния в керамике и т.д. В целом, создание и изучение оксидной лазерной нанокерамики в последние годы является быстро растущей об-ластью науки и практики.

 

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Применение нанотехнологий

Открыты новые свойства термоэлектрически

News image

Учёные из Университетов Орхуса и Копенгагена в результате исследований пришли к новым интересным данным, недавно оп...

Нашествие лифтеров

News image

Уже второй год подряд группы энтузиастов со всех концов света собираются для того, чтобы продемонстрировать св...

Genepax, Япония. Автомобиль, которые езд

News image

Компания Genepax из японского города Осака 12-го июня этого года представила автомобиль, который использует в ка...

Цеолиты: теперь еще объемнее!

News image

Цеолиты - кристаллические нано пористые твердые тела с диаметром пор приблизительно 1 нм - ис...

Графена много не бывает

News image

Использование графена в электронных устройствах обретает все более конкретные очертания. Однако остается проблема снижения стоимости пр...

Запуск Большого Адронного Коллайдера

News image

Сегодня, на границе Швейцарии и Франции учёные намерены запустить самый крупный из когда-либо существовавших ускоритель эл...

Прозрачный металл указывает на природу я

News image

Прозрачный алюминий, научно-фантастический материал, оказывается, всё-таки существует – если смотреть через рентгеновские лучи. Для создания экзотического со...

Боевые роботы в полете

News image

Беспилотные летательные аппараты нередко называют «летающими роботами», но роботами они стали не сразу. Поначалу эти ап...

Новости нанотехнологий

Кремниевые нанотрубки выращивают без применения золота

Кремниевые нанопроволоки помогут уменьшить размеры микрочипов. Ученые из Института Физики микроструктур Макса Планка в Галле впервые разработали нанопроволоки на кре...

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из графена желаемой формы оказалась подвластна капелькам воды – о пластичности графеновых наноструктур сообщают химики из...

Влияние полярности электрического поля на рост вертикал

Одно из наиболее перспективных направлений использования углеродных нанотрубок (УНТ) связано с разработкой холодных полевых эмиттеров на их основе. Уникальные особенности та...

Наноальтернатива таблеткам

  Одним из первых медицинских применений нанотехнологии стало разработанное учеными из США быстродействующее лекарство от импотенции, которое сможет соперничать таблетками Частицы препарата ...

Композиты медицинские «MBM — ЛН»

Справка о применении в клинической практике композитного материала «MBM — ЛН» Композитный материал «MBM — ЛН» представляет собой ткань черного цвета. Развитая по...

More in: Технологии, Наноматериалы, Наномедицина, НаноТехника , Новости

Популярные заметки:

Космический лифт и нанотехнологии

От фантастики к реальности КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на...

Создан пластик для солнечных батарей

Как сообщает портал Earth & Sky, создан пластик, который способен применяться в солнечных батареях. Ученые, рабатющие над созданием нового вида со...

Немецкий лазерный пинцет удостоен американской премии

Немецкая компания JPK Instruments (Берлин) была удостоена американской премии Prism Award for Photonics Innovation. Всего международное жюри оценивало более 135 прод...

Ученые Северной Каролины разрабатывают гибкие антенны

Антенны не только для того, чтобы слушать радио. Они используются во всем, начиная с сотовых телефонов и заканчивая GPS. Исследование го...

Светодиоды: реальная угроза рынку света

Cветотехнический рынок уже давно поделился две группы. Первая — те, кто продвигает лампы накаливания, галогенные и люминесцентные лампы. Вторая же гр...

Your are currently browsing this site with Internet Explorer 6 (IE6).

Your current web browser must be updated to version 7 of Internet Explorer (IE7) to take advantage of all of template's capabilities.

Why should I upgrade to Internet Explorer 7? Microsoft has redesigned Internet Explorer from the ground up, with better security, new capabilities, and a whole new interface. Many changes resulted from the feedback of millions of users who tested prerelease versions of the new browser. The most compelling reason to upgrade is the improved security. The Internet of today is not the Internet of five years ago. There are dangers that simply didn't exist back in 2001, when Internet Explorer 6 was released to the world. Internet Explorer 7 makes surfing the web fundamentally safer by offering greater protection against viruses, spyware, and other online risks.

Get free downloads for Internet Explorer 7, including recommended updates as they become available. To download Internet Explorer 7 in the language of your choice, please visit the Internet Explorer 7 worldwide page.