CC BY
12ВКВО-2023- УМНИК-ФОТОНИКА
КЕРАМИЧЕСКИЕ ВИЗУАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ МОЩНЫХ ИК ЛАЗЕРОВ
Евстропов Т.О. *, Балабанов С.С.
Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г.Девятых РАН, Нижний Новгород * E-mail: evstropov@ihps-nnov.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-343-344
Визуализатор ИК-излучения - это изделие, преобразующее ИК-излучение в видимый человеческому глазу диапазон за счёт люминесцентных свойств материала визуализатора. Визуализаторы применяются для первоначальной юстировки, настройки хода лазерного луча и наладки станков лазерной резки и сварки. В настоящее время существует две основных разновидности визуализаторов: на основе органических люминофоров, представляющие собой ламинированные карточки и керамические диски с нанесённым на них слоем неорганического визуализатора. Пластинки (органические люминофоры) позволяют визуализировать излучение мощностью от 1 до 50 мВт, керамические (неорганические) люминофоры от 10 мВт до 10 Вт. Использование таких визуализаторов для лазеров большой мощности (свыше 10 Вт) приводит к их разрушению через 1-2 с облучения и образованию большого количества газообразных продуктов разложения, оседающих на поверхности оптических элементов. Данная работа посвящена разработке технологии изготовления визуализатора для мощных ИК-лазеров в диапазоне длин волн ~ 1 мкм.
Разрабатываемый визуализатор представляет собой композиционную керамику матрица-люминофор, где в качестве матрицы применяются алюмомагниевая шпинель (MgAl2O4) или оксид магния (MgO), а в качестве люминофора смешанные оксиды ((Tm0 005Yb0, .05^0,10^,845)203) или оксисульфиды редкоземельных элементов ((Er0,01Yb0,08Y0,93)O2S и (Tm0 005Yb0,05Y0,1Gd0,845)O2S).
И I -••: В ffl Порошки алюмомагииевой шпинели и оксида магния
были получены осаждением гидроксидом аммония из раствора хлоридов магния и алюминия. Осадок прокаливали при температуре 900 °С 1 час.
Коммерческие порошки люминофора состава (Er001Yb0 08Y0 93)O2S и порошки состава
(Tm0 005Yb0,05Y01Gd0,845)2O3, синтезированные методом СВС из ацетатнитратных растворов редкоземельных металлов вводились в матрицу в процессе помола в шаровой мельнице.
Люминофор состава (Tm0,005Yb0 05Y01Gd0,845)O2S) вводился при помоле матричного порошка в растворе нитратов редкоземельных элементов в воде с добавлением тиомочевины в качестве восстановителя. Далее порошок прокаливали на воздухе при температуре 700 °С в течение 30 минут. Концентрация люминофора для всех составов составляла 10 вес. %.
Полученные порошки компактировали в металлической форме и спекали методом горячего прессования в графитовой пресс-форме. Остаточное давление паров в камере было не более 10 Па. Оптимальным режимом прессования является нагрев до температуры 1400 °С со скоростью 20 °/мин и выдержкой при максимальной температуре 5 мин при давлении 16,5 МПа (одноосно, для образцов толщиной 3 мм и диаметром 20 мм). Полученные образцы шлифовали и полировали при помощи алмазной суспензии.
Внешний вид визуализатора представлен на рис. 1. По результатам рентгенофазового анализа в образце визуализатора состава MgAl2O4 - (Er001Yb0 08Y0 93)O2S (рис.2) присутствуют фазы шпинели и фаза оксисульфида РЗЭ. Фаз разложения оксисульфида не обнаружено. Плотность полученных керамических образцов составляет не менее 95% от теоретической.
i 1 sr^ so 1 J j :is - v uF:, hp - MgAlili) 8p \ \ st> « * OS г иь 1 ^ ^ Ui__.',._/L A f
JCI'US KiteN0. 24-М21 Y,C1A Hexagonal 1 1 . It
JCPDS File No. 75-1797 MgAI.Oj cubic 1.
Рис. 2. Рентгенограмма образца керамики MgAl2O4-(Yo,93Yb0,o8Ero,oi)2O2S
ВКВ0-2023 УМНИК-ФОТОНИКА
Определение нижнего порога визуализации производили на Nd:YAG лазере с пассивным затвором Cr:YAG, длительность импульсов составляла 30 нс, частота 1 Гц, размер пучка 600 мкм. Нижний порог визуализации для керамик всех составов - 0,05-0,1 Дж. Разрушения керамики в импульсном режиме при энергии пучка до 3 Дж/см2 не наступает.
Для керамики состава MgAl2O4-(Y0,93Yb0,08Er0,01)2O2S нижний порог излучения для Yb-волоконного лазера в непрерывном режиме составил 50-100 мВт. При мощности лазера 100 Вт изменения окраски или разрушения образца не происходило. При тех же мощностях накачки коммерческие визуализаторы разрушаются (рис. 3).
Рис. 3. Коммерческие визуализаторы после испытания на лучевую стойкость
Разработанные визуализаторы применимы для Nd- и Yb-лазеров в диапазоне ~1 мкм при высокой мощности излучения без разрушения и без предварительной зарядки ультрафиолетовым излучением или солнечным светом. Визуализаторы могут быть использованы для юстировки научных или промышленных лазеров.
Работа поддержана Фондом Содействия Инновациям по программе УМНИК-Фотоника 2022 договор № 18062ГУ/2022 и ПАО «ПНППК».
