Существует несколько видов синтезированных камней которые не встречаются в природе. Эти кристаллы вырастили случайно когда производили исследования в области физики твёрдого тела. Некоторые из этих кристаллов после огранки начали использовать в ювелирном деле.
Титанат стронция
Одним из таких является синтетический титанат стронция которое вырастили в горелке Вернейля. Титанат стронция имеет химический состав SrTiO3. Титанат стронция как и минерал перовскит (CaTiO3) очень схожи по своей кубической структуре и форме кристаллов. Титанат стронция изотропен, почти бесцветен, имеет показатель преломления в натриевом свете 2,410, дисперсию 0,19 в интервале от B до G, удельный вес 5,1, твёрдость 6. Титанат стронция также имеет и другие названия такие как старилиан, фабулит, диагем. Титанат стронция с бриллиантовой огранкой очень похож на алмаз хотя его легко можно распознать даже по твёрдости или по удельному весу у алмаза он составляет 3,52, к тому же он не флюоресцирует в ультрафиолетовом свете. Из-за того что титанат стронция легко отличить от алмаза его не стали использовать в ювелирном деле.
Ниобат лития
Ещё одно вещество которое не встречается в природе но искусственно можно вырастить это ниобат лития. Ниобат натрия попал на ювелирный рынок Америки под названием Линобат. Ниобат лития выращивают в основном бесцветным но если добавить специальные присадки то он может приобрести цвет от красного до фиолетового. Ниобат лития имеет химический состав LiNbO3. По своим химическим свойствам он очень близок к свойствам титаната стронция. Но в отличие от Титаната стронция это искусственно выращенное вещество не изотропное, а одноосное или по другому тригональное. Ниобат лития имеет показатели преломления обыкновенного луча в натровом свете 2,30, показатели преломления не обыкновенного луча 2.21. У ниобата лития твёрдость 5,5, удельный вес 4,64, дисперсия 0,120 в интервале от B до G, что в 3 раза выше дисперсии алмаза.
Физики синтезировали несколько веществ по структуре очень похожими на гранаты. Такие минералы в природе не встречаются. Эти гранатоподобные вещества имеют химическую формулу X3AL3O12. Эти вещества создают в горелке Вернейля или по методу Чохральского при котором подвешенный над расплавом натуральный минерал в качестве затравки опускают до того момента когда она прикоснётся к поверхности расплава, а затем её поднимают и при этом её вращают. Из-за этого кристалл получается крупным цилиндрической формы. Такой процесс ещё называют вытягиванием из расплава. Самыми востребованными из этих веществ являются Иттрий алюминиевого граната и Даймонэр. Обычно Иттрий алюминиевый гранат и Даймонэр изготавливают бесцветными но можно придать им различный цвет добавив для этого специальную примесь. Например если добавить хром то вещество приобретёт зелёную окраску и станет похожим на демантоид. Отличить синтетическое вещество от демантоида можно по удельному весу так как у вещества удельный вес 4,6, а у демантоида намного меньше.
Химическая формула ИАГ: : . Этот лазер работает па четырехуровневой схеме. Первый уровень, называемый основным, соответствует min возможному значению энергии, которую могут иметь ионы.
Число ионов, имеющих min энергию, составляет большинство. Число ионов, находящихся на более высоких уровнях энергии, заметно меньше и оно подчиняется равновесному распределению Больцмана. В лазерах на гранате с неодимом нижние рабочие уровни заселены слабо, и поэтому основная доля мощности накачки расходуется не на создание инверсной населенности (), а на преодоление потерь в резонаторе и на полезное выходное излучение. При этом для возникновения генерации достаточно перевести на уровень 3 лишь малую часть ионов, находящихся на основном уровне. Это выгодно отличает этот вид лазеров от лазеров, работающих по трехуровневой схеме. В последних нижним рабочим уровнем является основной уровень, и для создания инверсной населенности (), требуется перевести на метастабильный уровень 2 не менее половины ионов с основного уровня, а с учетом потерь в резонаторе и полезного излучения больше половины. Поэтому в трехуровневых лазерах (например, на рубине) мощность накачки расходуется непроизводительно и их КПД оказывается существенно ниже. Состояние среды, когда N3>N2, называется инверсией населенности энергетических уровней. Иттрий-алюминиевый гранат с примесью неодима является уникальным материалом, обладающим хорошей теплопроводностью, большой твёрдостью и удовлетворительными оптическими свойствами. Подходящ для генерации в режиме синхронизации мод. Большое время жизни верхнего лазерного уровня (t = 0,23 мс) позволяет ИАГ быть весьма хорошим для работы в режиме модулированной добротности. ИАГ-лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В обоих случаях обычно используются линейные лампы в схемах с одноэллипсным осветителем, с близким расположением лампы и кристалла или с многоэллипсным осветителем. Для работы в импульсном и непрерывном режимах применяются соответственно ксеноновые лампы среднего давления (500- 1500 мм рт. ст.) и криптоновые лампы высокого давления (4- 6 атм). Размеры стержней обычно такие же, как и у рубинового лазера. Выходные параметры ИАГ -лазера оказываются следующими: в непрерывном многомодовом режиме выходная мощность до 200 Вт; в импульсном лазере с большой скоростью повторения импульсов (50 Гц) средняя выходная мощность порядка 500 Вт; в режиме модулированной добротности максимальная выходная мощность до 50 МВт; в режиме синхронизации мод длительность импульса до 20 пс. Как в импульсном, так и в непрерывном режиме дифференциальный КПД составляет около 1-3%.
24. Полупроводниковые лазеры. Принцип действия, типы полупроводниковых лазеров. Спектральные и генерационные характеристики.
Полупроводниковые лазеры (ППЛ) испускают излучение в диапазоне длин волн 0,32-32 мкм. В качестве активной среды применяют полупроводниковые кристаллы. В них используются оптические переходы с участием свободных носителей тока в кристаллах, т.е. с участием состояний в электронных зонах.
Полупроводниковые лазеры обладают следующими особенностями:
Очень малыми размерами излучающей области,
Весьма высоким КПД (50-60%),
Малыми мощностями.
В сравнении с твердотельными и газовыми полупроводниковые лазеры обладают:
Меньшей когерентностью,
Направленностью (1-6°) и
Монохроматичностью луча (примерно 5 нм).
По способу накачки лазеры полупроводниковые делятся на:
Инжекционные,
С накачкой пробоем в электрическом поле,
С накачкой пучком быстрых электронов,
С оптической накачкой
Работают полупроводниковые лазеры преимущественно в импульсном режиме и при низких температурах, что вызвано необходимостью обеспечить теплоотвод, а также и тем, что при понижении температуры генерация возникает при меньших плотностях тока. В качестве активной среды наиболее широко применяют арсенид галлия с p-n-переходом, генерирующим излучение с длиной волны равной 0,84 мкм, и сплав арсенида и фосфида галлия. Возбуждение p-n-перехода осуществляют путем инжекции электронов.
По своим качествам,
структуре и принципам работы
полупроводниковые лазеры отличаются
от других лазеров. Энергетические
уровни, относящиеся к лазерному переходу,
определяются всей кристаллической
решеткой. Эти состояния не являются
дискретными, а слиты в энергетические
зоны, представляющие собой
группы
энергетических состояний, расположенные
очень тесно. Для лазера представляют
интерес две энергетические зоны:
валентная и проводимости.
Валентная зона является наиболее высоким состоянием, заполненным электронами. Зона проводимости лежит выше и отделена областью энергии, называемой запрещенной зоной, в которой нет никаких электронных состояний. При поглощении энергии электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне остаются дырки. Аналогично электрон может перейти из зоны проводимости и рекомбинировать с дыркой в валентной зоне. При рекомбинации разность энергии испускается в виде излучения. Электроны инжектируются со стороны n-типа и рекомбинируют в области перехода. В результате этого возникает ток. Такие лазеры называются инжекционными. При прохождении тока должно создаваться достаточное количество дырок и электронов, так чтобы излучение, генерируемое при их рекомбинации, превышало потери, которые связаны с дифракционным выходом света из активной области, пропусканием света на границе перехода и поглощением света свободными носителями в области перехода. Поэтому существует пороговое значение плотности тока, необходимое для работы лазера.
Полупроводниковые лазеры не обладают малой расходимостью пучка, так как их излучение испускается через апертуру, ограниченную малой шириной перехода. Дифракция на узкой полосе перехода приводит к выходу излучения в более широком угле, чем для лазеров других типов. Поэтому излучение, например, лазера на арсениде галлия имеет вид луча эллиптического сечения с углом рассеяния на уровне 0.5, равным нескольким градусам в направлении, параллельном переходу, и большими размерами в направлении, перпендикулярном переходу.
Фианит отличается от алмаза повышенной плотностью (6 г/см 3 , зависит от вида и концентрации примесей), меньшей твердостью (8,5 по шкале Мооса вместо 10 у алмаза), отсутствием двупреломления.
Бесцветные ограненные фианиты по красоте, блеску и игре цвета зрительно почти неотличимы от настоящего бриллианта. Это обусловлено высокими показателями преломления (2,14 - 2,18), а также высокой дисперсией света - 0,06. Поэтому фианит так любим и популярен. А стоит совсем недорого. Если нужно просто украшение - смело выбирайте фианит!
Украшения с фианитами продаются во многих магазинах украшений. Чаще всего это кольца и серьги.
ИАГ (итрий-алюминиевый гранат) отличается от алмаза более низким показателем преломления (1,832), низкой дисперсией (0,028), большей плотностью (4,65 г/см 3 , значение может варьироваться в зависимости от примесных компонентов) и меньшей твердостью (8,5 по шкале Мооса, 1550 кгс/мм 2 по Викерсу и 1100 кгс/см 2 по данным склерометрии для плоскости {100}).
Неодимовые лазеры являются самыми популярными из твердотельных лазеров. В этих лазерах активной средой обычно является кристалл Y3AI5O12 [сокращенно называемый YAG (yttrium aluminum garnet, иттрий-алюминиевый гранат)], в котором часть ионов Y3+ замещена ионами Nd3+.
ГГГ (гадолиний-галиевый гранат) - более низкий показатель преломления (на 0,4), резко более высокая дисперсия (почти на порядок).
Промышленно разработанная технология роста кристалла ГГГ позволяет выращивать монокристаллы большого размера и изготавливать из них активные элементы лазеров до 100 мм в диаметре и 200 мм в длину с хорошим оптическим качеством.
В отличие от кристалла ИАГ решетка ГГГ позволяет вводить большую концентрацию примесных ионов неодима и за счет этого повышать КПД генерации лазера при ламповой накачке до 5%, что приблизительно в 2 раза больше, чем в ИАГ лазере. Кроме этого, решетка ГГГ позволяет соактивировать кристалл ионами сенсибилизаторов Сr3+ или Се3+, которые сильно поглощают излучение ламп накачки и передают возбуждение ионам Nd3+, повышая КПД лазера, его радиационную и УФ стойкость.
Синтетический рутил
Синтетический рутил отличает сильная дисперсия, высокий показатель преломления, повышенная плотность, низкая твердость.
Показатель преломления обыкновенного луча (в натровом свете) равен 2,62, необыкновенного - 2,90, дисперсия в интервале В - G равна 0,28. Эти необычно высокие значения создают в камне игру света, превосходящую игру природного алмаза , поэтому ограненный синтетический рутил представляет собой изумительно красивый камень. Но твердость - всего лишь 6,5, это недостаток, другой недостаток состоит в том, что эти камни всегда имеют желтоватый оттенок (а спрос на окрашенные разновидности, в которых плохо видна сильная дисперсия, невелик).
Синтетический камень всегда обнаруживает себя: в нём есть включения в виде газовых пузырьков.
Синтетический шеелит
Синтетический шеелит - более низкий показатель преломления и дисперсия, низкой твердостью, большей плотностью.
Природный натуральный шеелит ювелирного качества настолько редок, что ограненные камни этого минерала (вольфрамат кальция) рассматриваются скорее как коллекционная редкость, чем как серьезный материал для использования в ювелирном деле.
Зато синтетический шеелит, получаемый методом Чохральского, производится в большом количестве в виде крупных прозрачных кусков, и его довольно часто выдают на рынке за природный материал и запрашивают большую цену.
Признаком синтезированного камня может служить наличие изогнутых линий, очень похожих на линии, наблюдаемые в вернейлевской синтетике, а также облака очень мелких пузырьков.
Ниобат лития
Ниобат лития отличается высоким двупреломлением, повышенным удельным весом и низкой твердостью, отсутствием свечения в УФ-лучах.
Ниобат лития (LiNbO 3) - это соединение ниобия, лития и кислорода. Бесцветное твёрдое вещество с ромбоэдрической структурой. Температура плавления 1257 °C, плотность 4.65 г/см³.
Кристаллы ниобата лития оптически прозрачны в области длин волн 0,4-5,0 мкм; показатель преломления обыкновенного луча 2,29, необыкновенного - 2,20 (для длины волны 0,63 мкм).
Кристаллы необата лития, легированные Fe, перспективны для создания голографических систем управления лазерным лучом в качестве плёночных световодов. Волноводы на его основе используются для электрооптических и акустооптических переключающих устройств и т.п.
Фабулит
Фабулит отличается от алмаза твердостью (6,5 по шкале Мооса), плотностью 5,13 г/см 3 (значительно выше, чем у алмаза). Синонимы: диагем, старилан.
Он почти полностью не отличим по показателям преломления, дисперсии (0,190), изотропности, цвету.
Фабулит - синтетический аналог минерала таусонита, титанат стронция. Первоначальный цвет - черный, для осветления и придания прозрачности фабулит подвергают отжигу и получают материал теплых тонов от желтого до темно-красного или коричневого цвета, обусловленного примесями ванадия, хрома, железа и других. Примесь ниобия и тантала придает материалу синий оттенок.
Это очень эффектный ограночный материал.
Блеск стеклянный.
Дуплеты
Помимо всех имитаций и подделок, известны также и алмазные дуплеты: в этом случае верхняя часть камня делается из алмаза, а нижняя - из бесцветного синтетического сапфира, горного хрусталя или стекла; иногда дуплеты под алмаз делают из синтетической шпинели (верхняя часть) и фабулита (нижняя часть).
Одним из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров является лазер, в котором матрицей служит иттрий-алюминиевый гранат а активатором - ионы . Принятое обозначение этого лазера
Лазер имеет сравнительно низкий порог возбуждения и высокую теплопроводность, что позволяет реализовать генерацию при большой частоте следования импульсов, а также генерацию в непрерывном режиме. КПД лазера сравнительно высок; он достигает нескольких процентов.
Основные переходы иона неодима в гранате показаны на рис. 1.16. Переходы совершаются между определенными атомными которые изображены на рисунке в виде «энергетических полос». Каждой «полосе» (каждому терму) соответствует группа относительно узких энергетических уровней, возникших в результате расщепления данного терма в электрическом поле кристаллической решетки граната (штарковское расщепление).
В процессе накачки ионы неодима переходят из основного состояния, соответствующего терму в три группы состояний: А, Б, В. Группа А соответствует термам группа Б - термам и группа В - терму Этим трем группам состояний отвечают три полосы в спектре поглощения неодима в гранате,
представленном на рис. 1.17, а (соответственно А-, Б- и В-полосы). Тонкая структура полос поглощения, хорошо видная на рисунке, отражает эффект штарковского расщепления термов.
Терм является верхним рабочим «уровнем». Ионы неодима высвечиваются, переходя с этого «уровня» на уровни, соответствующие термам . Основная доля энергии (60%) высвечивается в переходах в качестве нижних рабочих уровней принято рассматривать уровни, соответствующие терму На рис. представлен спектр люминесценции неодима в гранате для переходов Спектр содержит 7 линий; наиболее интенсивны линии 1,0615 и 1,0642 мкм. В табл. 1.1 приведены значения длин волн для 18 линий люминесценции с учетом различных переходов 114]; данные получены при температуре 300 К. При упрощенном рассмотрении лазера можно пользоваться четырехуровневой рабочей схемой; основной «уровень» - терм 4/9/2, нижний рабочий «уровень» - терм верхний рабочий «уровень» - терм «уровень» возбуждения - термы и Заметим, что переходы запрещены в дипольном приближении (оптически запрещены), поскольку при таких переходах орбитальное квантовое число иона неодима изменяется на 3; следовательно, состояния, соответствующие -термам, являются метастабильными.
