Szczegóły bloga

W dziedzinie zaawansowanej fotoniki i precyzyjnej nauki o materiałach, jednokrystaliczny tlenek aluminium (Al2O3) zwany powszechnie korundem służy jako podstawa.Chociaż syntetyczny rubin i szafir przemysłowy są chemicznie identyczne na poziomie sieci gospodarza, celowe wprowadzenie (lub brak) dopantów śladowych tworzy decydujące rozdzielenie funkcjonalne między tymi dwoma substancjami./Krystały siostry.

Dla inżynierów laserowych, projektantów optycznych i naukowców zajmujących się materiałami, którzy rozumieją fizykę, optykę,i termodynamiczne granice między rubinem a szafirem jest niezbędne do optymalizacji wydajności systemu, niezawodność i żywotność.

1Krystalograficzna Fundacja: Rodzina Korundów

Zarówno rubin, jak i szafir krystalizują się w trójkątnym układzie krystalicznym z symetrią romboedrą (grupa przestrzenna R-3c).Ich wspólna sieć korundowca nadaje im rzadką kombinację właściwości "supermateriału".:

• Niezwykła twardość
  Twardota Mohsa 9.0, wyprzedzone tylko przez diament i moissanite.

• Wysoka przewodność cieplna
  Około 30 ̊35 W·m−1 ̊K−1 w temperaturze pokojowej (zależna od orientacji), znacznie wyższa niż większość okularów optycznych i wiele ceramik laserowych.

• Bezczynność chemiczna i środowiskowa
  Wyjątkowa odporność na kwasy, alkały, promieniowanie i wysokiej temperatury utlenianie.

Różnice na poziomie atomowym

Dywergencja funkcjonalna występuje na poziomie substytucji jonowej:

• Rubin syntetyczny
  Jony chromu (Cr3+) zastępują niewielką część jonów aluminium (Al3+) w siatce Al2O3, zazwyczaj w stężeniach 0,03 ∼ 0,5%.

• Szafir przemysłowy
  Pozostaje bez dopingu lub ultra-wysokiej czystości Al2O3, zoptymalizowany dla przejrzystości optycznej, wytrzymałości mechanicznej i stabilności termicznej.

Ważne jest, że oba materiały zachowują tę samą siatkę gospodarza (Al2O3); tylko stany energii elektronicznej różnią się ze względu na dopanty.

2.Włókienki z rubinu syntetycznegoPionier aktywnych mediów zysków

Syntetyczny rubin zajmuje wyjątkowe miejsce w historii lasera jako pierwsze aktywne medium zysku użyte w działającym laserze, zademonstrowane przez Theodora H. Maimana w 1960 roku.

Fizyka optyczna: trójpoziomowy system laserowy

Ruby działa jako trójpoziomowy system laserowy, co zasadniczo odróżnia go od nowoczesnych czteropoziomowych laserów stanu stałego.

• Wchłanianie pompy
  Jony Cr3+ wchłaniają szerokopasmowe zielone i niebieskie światło (≈400?? 560 nm), zazwyczaj z żelaznej latarki ksenonowej.

• Populacja w państwach metastabilnych
  Relaksacja niepromieniowa wypełnia metastabilny2E^2E2EPaństwo.

• Emisja stymulowana
  Emisja lasera występuje w 694,3 nm (głęboko czerwony), co odpowiada2E→4A2^2E → ^4A_22E/...4A2- Nie.przejścia.

Ponieważ niższy poziom lasera jest stanem podstawowym, wymagane są wysokie gęstości energii pompy w celu osiągnięcia odwrócenia populacji.

Zalety inżynierii

• Wysoka zdolność energetyczna impulsów
  Lasery rubinowe doskonale wytwarzają impulsy o wysokiej energii i krótkim czasie trwania, chociaż przy niskich częstotliwościach powtarzania.

• Wytrzymałość mechaniczna i termiczna
  Jednokrystaliczne pręty rubinowe wytrzymują intensywne pompowanie optyczne i wstrząsy mechaniczne znacznie lepiej niż media zwiększające na bazie szkła.

• Wyjątkowa stabilność widma
  Stała długość fali emisji z minimalnym dryfem termicznym.

Nichowe, ale niezastąpione zastosowania

Pomimo, że w dużej mierze zastąpione są w przemysłowym cięciu laserowym, lasery rubinowe pozostają niezbędne w:

• Dermatologia (usunięcie tatuażu i pigmentów)

• Interferometria holograficzna i rejestracja holograficzna

• Fizyka wysokiego napięcia i diagnostyka plazmowa

• Źródła referencyjne metrologii precyzyjnej

3Sapphire Rods: Mistrz pasywnej optyki i kontroli termicznej

W przeciwieństwie do roli rubina jako generatora światła, szafir bez dopingu funkcjonuje głównie jako pasywny materiał optyczny i konstrukcyjny.

szerokopasmowa przejrzystość optyczna i LIDT

Zafir przemysłowy posiada jedno z największych okien transmisji wśród kryształów optycznych:

• Zakres transmisji:
  ~200 nm (głębokie promieniowanie UV) do 5,0 ∼5,5 μm (średnio-czerwone), w zależności od czystości i orientacji kryształowej.

• Próg uszkodzenia wywołanego laserem (LIDT):
  Jest jednym z najwyższych ze wszystkich materiałów optycznych, dzięki czemu szafir jest idealny do zastosowania w systemach laserowych o wysokiej mocy i częstotliwości.

Inżynieria funkcjonalna

• Przekazywanie wiązki laserowej i homogenizacja
  Pręty safiru pełnią funkcję przewodników światła lub homogenizatorów, gdy stopiony krzemionka lub szkło uległyby pękaniu termicznemu lub uszkodzeniu powierzchni.

• Komponenty zarządzania cieplnym
  Okna i pręty z szafiru służą jako optyczne rozpraszacze ciepła w diodowo pompowanych laserach stanu stałego i wysokiej mocy systemach LED.

• Optyka surowego środowiska
  Szeroko stosowane w półprzewodnikowych komorach CVD, systemach próżniowych i portach optycznych wysokiego ciśnienia.

Uwaga na temat Ti:Safir

Po dopingu jonami tytanu (Ti3+), szafir staje się Ti: szafirem, najważniejszym kryształem laserowym do:

• wytwarzanie ultraszybkich impulsów femtosekundowych

• Ustawienie długości fali od ~650~1100 nm

Z punktu widzenia klasyfikacji materiałów, Ti:safir nie jest ani rubinem, ani szafirem przemysłowym, ale wyraźnym aktywnym kryształem laserowym.

4Porównanie techniczne: kryteria wyboru technicznego

5Ramy podejmowania decyzji: Który rod powinieneś określić?

Należy podać sztywki syntetyczne z rubina, jeżeli:

• Projektujesz lub utrzymujesz system laserowy 694,3 nm

• Twoje wnioski opierają się na specyficznych przejściach elektronicznych Cr3+

• Potrzebny jest element odniesienia o wysokiej widoczności (np. wskazówki sond CMM, standardy wyrównania)

Należy określić pręty szafirowe przemysłowe, jeżeli:

• Potrzebujesz szerokopasmowej transmisji UV-Wisible-IR

• Twój system działa pod wysoką częstotliwością lasera lub gęstością mocy

• Środowisko wymaga ekstremalnej temperatury, narażenia na działanie chemikaliów lub próżni

Wniosek

W ramach hierarchii materiałów fotonicznych, syntetyczny rubin funkcjonuje jako optyczny "silnik", aktywnie generujący spójne czerwone światło laserowe, podczas gdy przemysłowy szafir służy jako "super autostrada", bezpieczne kierowanie i zarządzanie fotonami o wysokiej energii w ekstremalnych środowiskach.

W przypadku nowoczesnych systemów półprzewodnikowych, lotniczych i fotonicznych o dużej mocy wybór nie jest kwestią jakości, ale funkcji:
Czy kryształ powinien aktywnie uczestniczyć w wytwarzaniu światła, czy działać jako nieugięty strażnik integralności optycznej?