Введение

Иттрий-алюминиевый гранат (YAG, Y3Al5O12) – синтетический кристаллический материал группы гранатов. Это кубическая фаза оксида иттрия и алюминия, другие примеры – YAlO3 (YAP) в гексагональной или орторомбической, перовскитоподобной форме, и моноклинный Y4Al2O9 (YAM). Благодаря широкой оптической прозрачности, низкому внутреннему напряжению, высокой твердости, химической и термостойкости, YAG применяется в различных оптических устройствах. Отсутствие двойного лучепреломления (в отличие от сапфира) делает его перспективным материалом для лазерных систем высокой энергии и мощности. Уровни лазерного повреждения YAG составляли от 1,1 до 2,2 кДж/см2 (1064 нм, 10 нс). Чистый YAG, как и гранат и сапфир, не используется в качестве активной лазерной среды. Однако, после легирования соответствующим ионом, YAG широко применяется в качестве материала-хозяина в различных твердотельных лазерах. Редкоземельные элементы, такие как неодим и эрбий, могут быть введены в YAG в качестве активных лазерных ионов, что позволяет создавать Nd:YAG и Er:YAG лазеры соответственно. YAG, легированный церием (Ce:YAG), используется в качестве люминофора в электронно-лучевых трубках и светодиодах, излучающих белый свет, а также в качестве сцинтиллятора.

Драгоценный камень YAG

В течение некоторого времени ЯГ использовался в ювелирных изделиях в качестве имитации алмазов и других драгоценных камней. Цветные варианты и их легирующие элементы включают в себя:

Как синтетический драгоценный камень, ЯГ имеет многочисленные разновидности и торговые названия, а также ряд ошибочных наименований. Синонимичные названия включают: алексит, аматит, цирколит, диабуд, диамит, диамогем, диамонаир, диамон, диамоник, диамонит, диамонте, ди’яг, геминаир, гемонаир, кимберли, имитированный алмаз Linde, ниер-жем, регалаир, реплика, сомерсет, триамонд, ЯИГ и иттрий-гранат. Производство для ювелирной торговли сократилось после появления синтетического кубического циркония; с 1995 года производство было незначительным. Теплопроводность Nd:ЯГ выше, а время жизни флуоресценции примерно в два раза больше, чем у кристаллов Nd:YVO4, однако он менее эффективен и стабилен, требуя более точного контроля температуры. Лучшая полоса поглощения Nd:ЯГ для накачки лазера центрирована на 807,5 нм и имеет ширину 1 нм. Большинство Nd:ЯГ лазеров генерируют инфракрасный свет с длиной волны 1064 нм. Этот свет представляет опасность для зрения, поскольку может быть сфокусирован хрусталиком глаза на сетчатке, но он невидимый и не вызывает моргательного рефлекса. Nd:ЯГ лазеры также могут использоваться с кристаллами для удвоения или утроения частоты, чтобы получить зеленый свет с длиной волны 532 нм или ультрафиолетовый свет на 355 нм соответственно. Концентрация легирующего вещества в обычно используемых кристаллах Nd:ЯГ обычно варьируется от 0,5 до 1,4 мольных процентов. Более высокая концентрация легирующего вещества используется для импульсных лазеров, а более низкая – для лазеров непрерывного действия. Nd:ЯГ имеет розовато-фиолетовый цвет, при этом стержни с меньшей концентрацией легирующего вещества окрашены менее интенсивно, чем стержни с большей концентрацией. Поскольку спектр поглощения узкий, оттенок зависит от освещения, при котором он наблюдается.

Nd:Cr:YAG

YAG, легированный неодимом и хромом (Nd:Cr:YAG или Nd/Cr:YAG), обладает характеристиками поглощения, превосходящими характеристики Nd:YAG. Это обусловлено тем, что энергия поглощается широкими полосами поглощения допанта Cr3+, а затем передается ионам Nd3+ посредством диполь-дипольного взаимодействия. Этот материал предлагается для использования в лазерах с солнечной накачкой, которые могут стать частью системы солнечной энергетической спутниковой станции.

Э: ЯГ

Er:YAG – активная лазерная среда, генерирующая излучение на длине волны 2940 нм. Его полосы поглощения, подходящие для накачки, широкие и расположены в диапазоне от 600 до 800 нм, что обеспечивает эффективную накачку импульсными лампами. Используется высокая концентрация легирующей примеси: около 50% атомов иттрия замещены эрбием. Длина волны лазера Er:YAG хорошо поглощается водой и биологическими жидкостями, что делает его особенно полезным в медицине и стоматологии; он применяется для лечения зубной эмали и в косметической хирургии. Er:YAG используется для неинвазивного мониторинга уровня глюкозы в крови. Механические свойства Er:YAG практически идентичны Nd:YAG. Er:YAG работает на длинах волн, при которых порог повреждения глаз относительно высок (поскольку свет поглощается до достижения сетчатки), эффективно функционирует при комнатной температуре и обладает высокой крутизной зависимости мощности излучения от мощности накачки. Er:YAG имеет розоватый цвет.

Yb:YAG

Иттербий-допированный YAG (Yb:YAG) — это активная лазерная среда, генерирующая излучение на длине волны 1030 нм, с широкой полосой поглощения шириной 18 нм при 940 нм. Это одна из наиболее эффективных сред для твердотельных лазеров с диодной накачкой высокой мощности. Концентрация иттербия варьируется от 0,2% до 30% от общего числа атомов иттрия. Yb:YAG характеризуется очень низким тепловыделением, очень высокой крутизной эффективности, отсутствием поглощения в возбужденном состоянии и эффекта преобразования частоты вверх, высокой механической прочностью и теплопроводностью. Yb:YAG может быть накачан надежными лазерными диодами InGaAs с длиной волны 940 или 970 нм. Yb:YAG является хорошей заменой Nd:YAG, генерирующему на 1064 нм, в высокомощных приложениях, а его версия с удвоенной частотой, излучающая на 515 нм, может заменить аргоновые лазеры, излучающие на 514 нм.

Nd:Ce:YAG

Неодимоцериевый двойной легированный YAG (Nd:Ce:YAG, или Nd,Ce:YAG) — активный материал для лазерной среды, очень похожий на Nd:YAG. Добавленные атомы церия сильно поглощают в ультрафиолетовом диапазоне и передают свою энергию атомам неодима, повышая эффективность накачки; это приводит к меньшему тепловому искажению и большей выходной мощности по сравнению с Nd:YAG при том же уровне накачки. Длина волны лазерного излучения, 1064 нм, такая же, как у Nd:YAG. Материал обладает хорошей устойчивостью к повреждениям, вызванным УФ-излучением от источника накачки, и низким порогом генерации. Обычно 1,1–1,4% атомов Y замещаются Nd, а 0,05–0,1% — Ce.

Ho:Cr:Tm:YAG

Холмиево-хромо-тулиевый тройно-легированный YAG (Ho:Cr:Tm:YAG, или Ho,Cr,Tm:YAG) является высокоэффективным активным лазерным материалом. Он генерирует излучение на длине волны 2080 нм и может быть накачан импульсной лампой или лазерным диодом. Широко применяется в военной, медицинской областях и метеорологии. Эффективно работает при комнатной температуре, обладает высокой крутизной характеристики и излучает на длине волны, при которой порог повреждения глаза относительно высок. При диодной накачке может использоваться полоса 785 нм для ионов Tm3+. Cr:YAG успешно применяется в нелинейной оптике в качестве самонакачиваемого фазово-сопряженного зеркала в "петлевом резонаторе" Nd:YAG. Такое зеркало обеспечивает компенсацию фазовых и поляризационных искажений, возникающих в петлевом резонаторе.

Dy:YAG

Диспрозиево-легированный YAG (Dy:YAG) — это термочувствительный люминофор, используемый для измерения температуры. Люминофор возбуждается лазерным импульсом, и наблюдается его флуоресценция, зависящая от температуры. Dy:YAG чувствителен в диапазоне 300–1700 K. Люминофор может быть нанесен непосредственно на измеряемую поверхность или на конец оптического волокна. Он также изучался в качестве однофазного люминофора, излучающего белый свет, в светодиодах белого света с преобразованием фосфором.

См:ЯГ

Самарий-допированный YAG (Sm:YAG) — это термочувствительный люминофор, аналогичный Dy:YAG.

Tb:YAG

Тербий-допированный YAG (Tb:YAG) — это люминофор, используемый в кинескопах. Он излучает жёлто-зелёный свет с длиной волны 544 нм.

Ce:YAG

Церий((III)-допированный YAG (Ce:YAG или YAG:Ce) является люминофором, или сцинтиллятором в чистом монокристаллическом виде, с широким спектром применения. Он излучает жёлтый свет при воздействии синего или ультрафиолетового света, либо рентгеновского излучения. Он используется в белых светодиодах в качестве покрытия на синем диоде InGaN высокой яркости, преобразуя часть синего света в жёлтый, что в совокупности воспринимается как белый свет. Такая конструкция обеспечивает неоптимальную цветопередачу. Выходная яркость уменьшается с повышением температуры, что дополнительно изменяет цветовую характеристику устройства. Ce:YAG также применяется в некоторых ртутных лампах в качестве одного из люминофоров, часто в сочетании с Eu:Y(P,V)O4 (иттрий-фосфат-ванадат). Он также используется в качестве люминофора в электронно-лучевых трубках, где излучает зелёный (530 нм) до жёлто-зелёного (550 нм) света. При возбуждении электронами он практически не имеет послесвечения (время затухания 70 нс). Он пригоден для использования в фотоумножителях. Ce:YAG применяется в ПЭТ-сканерах, детекторах высокоэнергетического гамма-излучения и заряженных частиц, а также в высокоразрешающих экранах для гамма-излучения, рентгеновских лучей, бета-излучения и ультрафиолетового излучения. Ce:YAG может быть дополнительно легирован гадолинием.