Aktywne optycznie przezroczyste materiały ceramiczne

Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
Zakład Ceramiki
ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa, POLAND
Telefon: (+48 22) 835 30 41
http://www.itme.edu.pl
Faks: (+48 22) 864 54 96
e-mail: [email protected]
Aktywne optycznie przezroczyste materiały ceramiczne
Najczęściej stosowanymi materiałami czynnymi laserów ciała stałego są monokryształy
i szkła domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich, dobieranymi stosownie do wymaganego
zakresu generacji lasera. Jednak postęp w wytwarzaniu przezroczystych materiałów
ceramicznych sprawił, iż obecnie są one coraz szerzej wykorzystywane w zastosowaniach
optycznych. W stosunku do swoich monokrystalicznych odpowiedników (o tym samym składzie
chemicznym), tworzywa polikrystaliczne charakteryzują się nie tylko krótszym czasem
wytwarzania i większą dowolnością rozmiarów i kształtów, lecz również szerszym zakresem ilości
wprowadzanych domieszek oraz często lepszymi właściwościami mechanicznymi. W Zakładzie
Ceramiki ITME, po raz pierwszy w kraju, wytworzono przezroczystą ceramikę YAG i Nd:YAG,
w ramach realizowanego w latach 2007-2009 Projektu Badawczo-Rozwojowego. Od tego czasu
trwają intensywne prace badawcze mające na celu udoskonalenie opracowanej technologii oraz
poszerzenie gamy oferowanych materiałów. Wśród nich za interesujący można uznać spinel
glinowo-magnezowy domieszkowany kobaltem.
Fotografia polikrystalicznych, przezroczystych RE:YAG wytwarzanych w ITME
CERAMIKA Nd:YAG
CERAMIKA Co:MgAl2O4
Fotografia polikrystalicznych,
przezroczystych Co:MgAl2O4
wytwarzanych w ITME (od lewej
0,03at.% Co i 0,06at.% Co)
Dynamika fluorescencji kryształu
1at.%Nd:YAG oraz ceramiki 1at.%Nd:YAG
i 2at.%Nd:YAG zmierzona w temperaturze
pokojowej przy wzbudzaniu promieniowaniem
o długości fali 808 nm
Porównanie widm emisji kryształu
i ceramiki Nd:YAG zmierzonych
w temperaturze pokojowej przy
wzbudzaniu promieniowaniem
o długości fali 808 nm
Widmo transmisji oraz mikrofotografia SEM ceramiki 2 at.% Nd:YAG
Widmo transmisji oraz mikrofotografia
SEM ceramiki 0,03 at.% Co:MgAl2O4
Przezroczyste materiały polikrystaliczne
jako bierne elementy optyczne
Spinel glinowo-magnezowy (MgAl2O4) charakteryzuje się szeregiem korzystnych
właściwości, takich jak wysoka temperatura topnienia (2135°C), wysoka wytrzymałość,
odporność chemiczna, stosunkowo niska gęstość (3,58 g/cm3), szeroki przedział długości fali,
przy której spinel posiada wysoką transmisję oraz niska stratność elektryczna. Tradycyjnie, spinel
magnezowo-glinowy
jest
stosowany
w
przemyśle
chemicznym,
metalurgicznym,
elektrotechnicznym i radiotechnicznym. Jednak wytworzenie polikrystalicznego, przezroczystego
tworzywa spinelowego otwiera szereg nowych zastosowań, takich jak okienka na podczerwień,
osłony detektorów w pociskach zdalnie sterowanych, elementy opancerzenia wojskowych
samolotów lub pojazdów lądowych, soczewki oraz materiały stosowane w technikach
laserowych. Zakład Ceramiki ITME, od 2009 roku, wytwarza przezroczysty, polikrystaliczny
spinel glinowo-magnezowy metodą spiekania pod ciśnieniem (hot pressing, HP). Wytwarzane są
również wyroby na bazie spinelu glinowo-magnezowego metodą spiekania swobodnego
w warunkach wysokiej próżni i likwidacji szczątkowej porowatości metodą HIP (hot isostatic
pressing), w ramach kooperacji z Instytutem Ceramiki i Materiałów Budowlanych.
100
80
T [%]
60
40
20
0
500
Fotografia kopułki ceramicznej w której
porowatość szczątkowa została usunięta
przy pomocy metody HIP
1000
1500
2000
λ[nm]
2500
3000
3500
Widmo transmisji, zdjęcie mikrostruktury i oraz fotografia ceramiki
MgAl2O4 otrzymanej metodą HP
Tlenek itru (Y2O3) stosowany jest tradycyjnie jako materiał na elementy konstrukcyjne pracujące
w wysokich temperaturach i agresywnych warunkach, np. podłoża, tygle do reaktywnych metali
i stopów, dysze. Wynika to z korzystnej kombinacji właściwości tego materiału, którymi są
wysoka temperatura topnienia (2430oC), duża odporność chemiczna, stosunkowo dobre
właściwości mechaniczne oraz szeroki zakres długości fali świetlnej (280 nm do 8 μm) w którym
uzyskuje on wysokie wartości transmisji. Przeświecalna lub przezroczysta ceramika Y2O3 jest
stosowana ponadto w lampach wyładowczych, okienkach optycznych pracujących w wysokich
temperaturach i elementach uzbrojenia. Przezroczysty Y2O3 może być wykorzystany również
jako scyntylator a w przypadku domieszkowania jonami aktywnymi optycznie jako materiał
laserowy. Technologia wytwarzania przezroczystej ceramiki Y2O3 metodą spiekania pod
ciśnieniem (HP) opracowana została w ITME w ramach realizowanego w latach 2007-2009
Projektu Badawczo-Rozwojowego. Obecnie prowadzone są badania nad uzyskaniem tlenku itru
domieszkowanego metalami ziem rzadkich.
Widmo transmisji, zdjęcie mikrostruktury i oraz fotografia ceramiki Y2O3 otrzymanej metodą HP.
KONTAKT: dr Zdzisław Librant, prof. ITME, tel. (22) 835 30 41 w. 150, e-mail: zdzisł[email protected]