جزئیات وبلاگ

در زمینه فوتونیک پیشرفته و علم مواد دقیق، اکسید آلومینیوم تک کریستالی (Al₂O₃) - که معمولاً به عنوان کروندوم شناخته می شود - به عنوان یک ماده اصلی عمل می کند. اگرچه یاقوت مصنوعی و یاقوت کبود صنعتی در سطح شبکه میزبان از نظر شیمیایی یکسان هستند، اما معرفی عمدی (یا عدم وجود) ناخالصی های ردیابی، یک جدایی عملکردی قاطع بین این دو کریستال خواهر ایجاد می کند.

برای مهندسان لیزر، طراحان اپتیک و دانشمندان مواد، درک مرزهای فیزیکی، نوری و ترمودینامیکی بین یاقوت و یاقوت کبود برای بهینه سازی عملکرد، قابلیت اطمینان و طول عمر سیستم ضروری است.

1. بنیاد کریستالوگرافی: خانواده کروندوم

هر دو یاقوت و یاقوت کبود در سیستم کریستالی مثلثی با تقارن رومبوهدرال (گروه فضایی R-3c) متبلور می شوند. شبکه کروندوم مشترک آنها ترکیبی نادر از خواص "فوق العاده مواد" را به آنها می بخشد:

• سختی شدید
  سختی Mohs 9.0، که فقط توسط الماس و مویزانیت فراتر می رود.

• هدایت حرارتی بالا
  تقریباً 30–35 W·m⁻¹·K⁻¹ در دمای اتاق (وابسته به جهت گیری)، به طور قابل توجهی بالاتر از اکثر شیشه های نوری و بسیاری از سرامیک های لیزری.

• بی اثری شیمیایی و محیطی
  مقاومت استثنایی در برابر اسیدها، قلیاها، تشعشعات و اکسیداسیون در دمای بالا.

واگرایی در سطح اتمی

واگرایی عملکردی در سطح جایگزینی یونی رخ می دهد:

• یاقوت مصنوعی
  یون های کروم (Cr³⁺) جایگزین بخش کوچکی از یون های آلومینیوم (Al³⁺) در شبکه Al₂O₃ می شوند، معمولاً در غلظت های 0.03–0.5 at.%.

• یاقوت کبود صنعتی
  بدون ناخالصی یا Al₂O₃ با خلوص فوق العاده بالا باقی می ماند، که برای شفافیت نوری، استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی بهینه شده است.

مهمتر از همه، هر دو ماده شبکه میزبان یکسانی (Al₂O₃) را حفظ می کنند. فقط حالت های انرژی الکترونیکی به دلیل ناخالصی ها متفاوت است.

2. میله های یاقوت مصنوعی: پیشگام رسانه های فعال تقویت کننده

یاقوت مصنوعی جایگاه منحصر به فردی در تاریخ لیزر دارد، زیرا اولین محیط تقویت کننده فعال بود که در یک لیزر کارآمد استفاده شد، که توسط تئودور اچ. مایمن در سال 1960 نشان داده شد.

فیزیک نوری: یک سیستم لیزری سه سطحی

یاقوت به عنوان یک سیستم لیزری سه سطحی عمل می کند که اساساً آن را از لیزرهای حالت جامد چهار سطحی مدرن متمایز می کند.

• جذب پمپ
  یون های Cr³⁺ نور سبز و آبی پهن باند (≈400–560 نانومتر) را جذب می کنند، معمولاً از یک لامپ زنون.

• جمعیت حالت ناپایدار
  آرامش غیر تابشی حالت ناپایدار 2E²E2E را پر می کند.

• انتشار تحریک شده
  انتشار لیزر در 694.3 نانومتر (قرمز تیره) رخ می دهد که مربوط به 2E→4A2²E → ^4A_22E→4A2 انتقال است.از آنجایی که سطح لیزر پایین تر حالت پایه است، چگالی های انرژی پمپ بالا برای دستیابی به وارونگی جمعیت مورد نیاز است.

مزایای مهندسی

قابلیت انرژی پالس بالا

• لیزرهای یاقوت در تولید پالس های با انرژی بالا و مدت زمان کوتاه، اگرچه با نرخ تکرار کم، عالی هستند.
  استحکام مکانیکی و حرارتی

• میله های یاقوت تک کریستالی پمپاژ نوری شدید و شوک مکانیکی را بسیار بهتر از محیط های تقویت کننده مبتنی بر شیشه تحمل می کنند.
  پایداری طیفی استثنایی

• طول موج انتشار ثابت با رانش حرارتی حداقل.
  کاربردهای خاص اما غیر قابل تعویض

علیرغم اینکه تا حد زیادی در برش لیزری صنعتی منسوخ شده اند، لیزرهای یاقوت در موارد زیر ضروری هستند:

پوست (حذف خالکوبی و ضایعات رنگدانه ای)

• تداخل سنجی هولوگرافی و ضبط هولوگرافی

• فیزیک با نرخ کرنش بالا و تشخیص پلاسما

• منابع مرجع اندازه گیری دقیق

• 3. میله های یاقوت کبود: استاد اپتیک غیرفعال و کنترل حرارتی

برخلاف نقش یاقوت به عنوان یک مولد نور، یاقوت کبود بدون ناخالصی در درجه اول به عنوان یک ماده نوری و ساختاری غیرفعال عمل می کند.

شفافیت نوری پهن باند و LIDT

یاقوت کبود صنعتی یکی از گسترده ترین پنجره های انتقال را در بین کریستال های نوری نشان می دهد:

محدوده انتقال:

• ~200 نانومتر (UV عمیق) تا 5.0–5.5 میکرومتر (Mid-IR)، بسته به خلوص و جهت گیری کریستال.
  آستانه آسیب ناشی از لیزر (LIDT):

• در میان بالاترین مواد نوری، که یاقوت کبود را برای سیستم های لیزری با توان بالا و شار بالا ایده آل می کند.
  نقش های مهندسی عملکردی

تحویل و همگن سازی پرتو لیزر

• میله های یاقوت کبود به عنوان راهنماهای نور یا همگن کننده ها عمل می کنند که در آن سیلیس ذوب شده یا شیشه دچار شکستگی حرارتی یا آسیب سطحی می شود.
  اجزای مدیریت حرارتی

• پنجره ها و میله های یاقوت کبود به عنوان پخش کننده های حرارت نوری در لیزرهای حالت جامد پمپ شده با دیود و سیستم های LED با توان بالا عمل می کنند.
  اپتیک محیط خشن

• به طور گسترده در محفظه های CVD نیمه هادی، سیستم های خلاء و پورت های نوری فشار بالا استفاده می شود.
  یادداشت در مورد Ti:Sapphire

هنگامی که با یون های تیتانیوم (Ti³⁺) ناخالص می شود، یاقوت کبود به Ti:sapphire تبدیل می شود، مهمترین کریستال لیزری قابل تنظیم برای:

تولید پالس های فمتوثانیه فوق العاده کوتاه

• تنظیم طول موج از ~650–1100 نانومتر

• از دیدگاه طبقه بندی مواد، Ti:sapphire نه یاقوت است و نه یاقوت کبود صنعتی، بلکه یک کریستال لیزری فعال متمایز است.

4. مقایسه مهندسی: معیارهای انتخاب فنی

ویژگی

اگر موارد زیر را دارید، میله های یاقوت مصنوعی را مشخص کنید:

شما در حال طراحی یا نگهداری یک سیستم لیزر پالس 694.3 نانومتری هستید

• برنامه شما به گذارهای الکترونیکی Cr³⁺ خاص متکی است

• شما به یک عنصر مرجع با دید بالا نیاز دارید (به عنوان مثال، نوک پروب CMM، استانداردهای تراز)

• اگر موارد زیر را دارید، میله های یاقوت کبود صنعتی را مشخص کنید:

شما به انتقال UV–Visible–IR پهن باند نیاز دارید

• سیستم شما تحت شار لیزر یا چگالی توان بالا کار می کند

• محیط شامل دمای شدید، قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی یا خلاء است

• نتیجه

در سلسله مراتب مواد فوتونیکی، یاقوت مصنوعی به عنوان یک "موتور" نوری عمل می کند و به طور فعال نور لیزر قرمز منسجم تولید می کند، در حالی که یاقوت کبود صنعتی به عنوان یک "بزرگراه" عمل می کند و با خیال راحت فوتون های پرانرژی را در محیط های شدید هدایت و مدیریت می کند.

برای سیستم های فوتونیک مدرن نیمه هادی، هوافضا و توان بالا، انتخاب یک موضوع کیفی نیست - بلکه یک موضوع عملکرد است:

آیا کریستال باید به طور فعال در تولید نور شرکت کند یا به عنوان یک نگهبان تسلیم ناپذیر یکپارچگی نوری عمل کند؟