Existuje niekoľko druhov syntetizovaných kameňov, ktoré sa v prírode nenachádzajú. Tieto kryštály boli vypestované náhodou počas výskumu v oblasti fyziky pevných látok. Niektoré z týchto kryštálov sa po vyrezaní začali používať v šperkoch.
Titanát strontnatý
Jedným z nich je syntetický titaničitan strontnatý, ktorý sa pestuje vo Verneuilovom horáku. Titaničitan strontnatý má chemické zloženie SrTiO3. Titanát strontnatý a minerál perovskit (CaTiO3) sú si veľmi podobné svojou kubickou štruktúrou a tvarom kryštálov. Titaničitan strontnatý je izotropný, takmer bezfarebný, má index lomu v sodíkovom svetle 2,410, disperziu 0,19 v rozmedzí od B do G, špecifickú hmotnosť 5,1 a tvrdosť 6. Titaničitan strontnatý má aj iné názvy ako napr. starilian, fabulite, diagem. Brilantne brúsený titaničitan strontnatý je veľmi podobný diamantu, hoci ho možno ľahko rozpoznať aj podľa jeho tvrdosti alebo špecifickej hmotnosti 3,52 a nefluoreskuje v ultrafialovom svetle. Vzhľadom na to, že titaničitan strontnatý je ľahko odlíšiteľný od diamantu, v šperkoch sa nepoužíval.
Niobát lítny
Ďalšou látkou, ktorá sa v prírode nevyskytuje, ale dá sa pestovať umelo, je niobát lítny. Niobát sodný vstúpil na americký trh šperkov pod názvom Linobat. Niobát lítny sa pestuje väčšinou bezfarebný, ale ak sa pridajú špeciálne prísady, môže získať farbu od červenej po fialovú. Niobát lítny má chemické zloženie LiNbO3. Svojimi chemickými vlastnosťami sa veľmi približuje vlastnostiam titaničitanu strontnatého. Ale na rozdiel od titaničitanu strontnatého táto umelo pestovaná látka nie je izotropná, ale jednoosová alebo inak trigonálna. Niobičnan lítny má index lomu obyčajného lúča v sodíkovom svetle 2,30 a index lomu neobyčajného lúča 2,21. Niobát lítny má tvrdosť 5,5, špecifickú hmotnosť 4,64, disperziu 0,120 v rozmedzí od B do G, čo je 3-krát viac ako disperzia diamantu.
Fyzici syntetizovali niekoľko látok so štruktúrou veľmi podobnou granátom. Takéto minerály sa v prírode nevyskytujú. Tieto látky podobné granátu majú chemický vzorec X3AL3O12. Tieto látky vznikajú vo Verneuilovom horáku alebo Czochralského metódou, pri ktorej sa prírodný minerál zavesený nad taveninou ako semienko spúšťa, kým sa nedotkne povrchu taveniny, a potom sa zdvihne a otáča. Z tohto dôvodu je kryštál veľký a má valcovitý tvar. Tento proces sa tiež nazýva ťahanie taveniny. Najvyhľadávanejšie z týchto látok sú Ytrium Aluminium Garnet a Daimonair. Typicky sú Yttrium Aluminium Garnet a Daimonair bezfarebné, ale môžu im dať inú farbu pridaním špeciálnej nečistoty. Napríklad, ak pridáte chróm, látka získa zelenú farbu a stane sa podobnou demantoidu. Syntetickú látku od demantoidu môžete rozlíšiť podľa jej špecifickej hmotnosti, pretože látka má špecifickú hmotnosť 4,6, zatiaľ čo demantoid je oveľa menší.
Chemický vzorec YAG: : . Tento laser pracuje na štvorúrovňovom okruhu. Prvá úroveň, nazývaná prízemná úroveň, zodpovedá minimálnej možnej energetickej hodnote, ktorú môžu mať ióny.
Počet iónov s minimálnou energiou je väčšina. Počet iónov nachádzajúcich sa na vyšších energetických hladinách je výrazne menší a riadi sa Boltzmannovým rovnovážnym rozložením. V neodymových granátových laseroch sú nižšie prevádzkové úrovne slabo obsadené, a preto sa väčšina výkonu čerpadla nevynakladá na vytváranie inverzie populácie (), ale na prekonanie strát v dutine a na užitočné výstupné žiarenie. V tomto prípade, aby nastala tvorba, stačí preniesť do úrovne 3 len malú časť iónov nachádzajúcich sa na úrovni zeme. To odlišuje tento typ laserov od laserov pracujúcich podľa trojúrovňovej schémy. V druhom prípade je hlavnou úrovňou nižšia prevádzková úroveň a na vytvorenie inverzie populácie () je potrebné preniesť aspoň polovicu iónov z hlavnej úrovne na metastabilnú úroveň 2 a brať do úvahy straty v rezonátore a užitočného žiarenia, viac ako polovica. Preto v trojúrovňových laseroch (napríklad rubínových) sa výkon čerpadla spotrebúva neproduktívne a ich účinnosť je výrazne nižšia. Stav média, keď N3>N2 sa nazýva populačná inverzia energetických hladín. Ytrium-hliníkový granát s prímesou neodýmu je unikátny materiál s dobrou tepelnou vodivosťou, vysokou tvrdosťou a vyhovujúcimi optickými vlastnosťami. Vhodné na generovanie v režime synchronizácie. Dlhá životnosť hornej hladiny lasera (t = 0,23 ms) umožňuje YAG veľmi dobre fungovať v režime Q-switched. YAG lasery môžu pracovať v kontinuálnom aj pulznom režime. V oboch prípadoch sa lineárne lampy zvyčajne používajú v obvodoch s jednoelipsovým iluminátorom, s tesným usporiadaním lampy a kryštálu, alebo s viacelipsovým iluminátorom. Pre prevádzku v pulznom a kontinuálnom režime sa používajú stredotlakové xenónové výbojky (500-1500 mmHg) a vysokotlakové kryptónové výbojky (4-6 atm). Veľkosti tyče sú zvyčajne rovnaké ako pri rubínovom laseri. Výstupné parametre YAG lasera sú nasledovné: v kontinuálnom multimódovom režime je výstupný výkon až 200 W; v pulznom laseri s vysokou frekvenciou opakovania impulzov (50 Hz) je priemerný výstupný výkon asi 500 W; v Q-spínanom režime je maximálny výstupný výkon až 50 MW; v režime synchronizácie je trvanie impulzu až 20 ps. V pulznom aj kontinuálnom režime je diferenciálna účinnosť približne 1-3%.
24. Polovodičové lasery. Princíp činnosti, typy polovodičových laserov. Spektrálne a generačné charakteristiky.
Polovodičové lasery (SSL) emitujú žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok 0,32-32 mikrónov. Ako aktívne médium sa používajú polovodičové kryštály. Využívajú optické prechody zahŕňajúce nosiče voľného prúdu v kryštáloch, t.j. zapojenie štátov do elektronických pásiem.
Polovodičové lasery majú nasledujúce vlastnosti:
Veľmi malá veľkosť vyžarovacej oblasti,
Veľmi vysoká účinnosť (50-60%),
Slaby prud.
V porovnaní s polovodičovými lasermi v pevnej fáze a plynom majú:
Menej koherencie
Smerovosť (1-6°) a
Monochromatickosť lúča (približne 5 nm).
Na základe čerpacej metódy sa polovodičové lasery delia na:
injekcia,
S čerpanou poruchou v elektrickom poli,
Pumpované lúčom rýchlych elektrónov,
Opticky čerpané
Polovodičové lasery pracujú predovšetkým v pulznom režime a pri nízkych teplotách, čo je spôsobené potrebou zabezpečiť odvod tepla, ako aj tým, že pri znižovaní teploty dochádza k lasovaniu pri nižších prúdových hustotách. Najpoužívanejším aktívnym médiom je arzenid gália s p-n prechodom generujúcim žiarenie s vlnovou dĺžkou 0,84 μm a zliatina arzenidu a fosfidu gália. Pn prechod je excitovaný vstrekovaním elektrónov.
Svojimi vlastnosťami, štruktúrou a princípmi fungovania sa polovodičové lasery líšia od ostatných laserov. Energetické hladiny spojené s laserovým prechodom sú určené celou kryštálovou mriežkou. Tieto stavy nie sú oddelené, ale zlúčené do energetických zón, ktoré predstavujú 
skupiny energetických stavov umiestnených veľmi blízko. Pre laser sú zaujímavé dva energetické pásy: valencia a vodivosť.
Valenčný pás je najvyšší stav naplnený elektrónmi. Vodivostný pás leží nad a je oddelený oblasťou energie nazývanou zakázaný pás, v ktorej nie sú žiadne elektronické stavy. Keď je energia absorbovaná, elektróny sa pohybujú z valenčného pásma do vodivého pásma. Vo valenčnom páse zostávajú otvory. Podobne sa elektrón môže pohybovať z vodivého pásma a rekombinovať sa s dierou vo valenčnom páse. Počas rekombinácie sa rozdiel v energii vyžaruje ako žiarenie. Elektróny sa vstrekujú zo strany typu n a rekombinujú sa v oblasti spojenia. V dôsledku toho vzniká prúd. Takéto lasery sa nazývajú vstrekovacie lasery. Prechod prúdu musí vytvoriť dostatočný počet dier a elektrónov, aby žiarenie generované ich rekombináciou prevyšovalo straty, ktoré sú spojené s difrakčným výstupom svetla z aktívnej oblasti, prestupom svetla na hranici prechodu a absorpciou. svetla voľnými nosičmi v prechodovej oblasti. Preto existuje prahová hustota prúdu potrebná na to, aby laser fungoval.
Polovodičové lasery nemajú nízku divergenciu lúčov, pretože ich žiarenie je vyžarované cez otvor obmedzený malou prechodovou šírkou. Difrakcia v úzkom prechodovom pásme má za následok výstup žiarenia v širšom uhle ako u iných typov laserov. Preto má žiarenie napríklad z gáliumarzenidového lasera tvar lúča elipsovitého prierezu s uhlom rozptylu na úrovni 0,5, rovný niekoľkým stupňom v smere rovnobežnom s prechodom a veľké rozmery v smer kolmý na prechod.
kubický zirkón sa od diamantu líši zvýšenou hustotou (6 g/cm 3, v závislosti od typu a koncentrácie nečistôt), nižšou tvrdosťou (8,5 na Mohsovej stupnici namiesto 10 pre diamant) a nedostatkom dvojlomu.
Bezfarebné fazetované kubické zirkóny sú vo svojej kráse, lesku a hre farieb vizuálne takmer na nerozoznanie od skutočného diamantu. Je to spôsobené vysokými indexmi lomu (2,14 - 2,18), ako aj vysokou disperziou svetla - 0,06. To je dôvod, prečo je kubický zirkón tak obľúbený a obľúbený. A je to celkom lacné. Ak potrebujete len dekoráciu, pokojne si vyberte kubické zirkóny!
Šperky z kubických zirkónov sa predávajú v mnohých klenotníctvach. Najčastejšie ide o prstene a náušnice.
YAG (ytrium-hliníkový granát) sa od diamantu líši nižším indexom lomu (1,832), nízkou disperziou (0,028), vyššou hustotou (4,65 g / cm 3, hodnota sa môže líšiť v závislosti od zložiek nečistôt) a nižšou tvrdosťou (8,5 na Mohsovej stupnici, 1550 kgf / mm 2 podľa Vickersa a 1100 kgf/cm 2 podľa sklerometrie pre rovinu (100)).
Neodymové lasery sú najobľúbenejšie z pevnolátkových laserov. V týchto laseroch je aktívnym médiom typicky kryštál Y3AI5O12 [skrátene YAG (ytrium-aluminium garnet)], v ktorom sú niektoré z iónov Y3+ nahradené iónmi Nd3+.
GGG (gadolinium gálium granát)- nižší index lomu (o 0,4), prudko vyšší rozptyl (takmer rádovo).
Priemyselne vyvinutá technológia rastu kryštálov GGG umožňuje pestovať veľké monokryštály a použiť ich na výrobu aktívnych prvkov pre lasery do priemeru 100 mm a dĺžky 200 mm s dobrou optickou kvalitou.
Na rozdiel od YAG kryštálu umožňuje mriežka GGG zaviesť vyššiu koncentráciu iónov nečistôt neodýmu a tým zvýšiť účinnosť lasera pri čerpaní lampy na 5 %, čo je približne 2-krát viac ako pri YAG laseri. Mriežka GGG navyše umožňuje koaktiváciu kryštálu so senzibilizačnými iónmi Cr3+ alebo Ce3+, ktoré silne absorbujú žiarenie z lámp pumpy a prenášajú excitáciu na ióny Nd3+, čím zvyšujú účinnosť lasera, jeho vyžarovanie a odolnosť voči UV žiareniu.
Syntetický rutil
Syntetický rutil vyznačujúce sa silnou disperziou, vysokým indexom lomu, zvýšenou hustotou, nízkou tvrdosťou.
Index lomu obyčajného lúča (v sodíkovom svetle) je 2,62, mimoriadneho 2,90, disperzia v intervale B - G je 0,28. Tieto nezvyčajne vysoké hodnoty vytvárajú hru svetla v kameni, špičková hra prírodného diamantu Fazetovaný syntetický rutil je preto úžasne krásny kameň. Ale tvrdosť je len 6,5, to je nevýhoda, ďalšou nevýhodou je, že tieto kamene majú vždy žltkastý odtieň (a je malý dopyt po farebných odrodách, v ktorých je silná disperzia ťažko viditeľná).
Syntetický kameň sa vždy odhalí: obsahuje inklúzie vo forme plynových bublín.
Syntetický scheelit
Syntetický scheelit- nižší index lomu a disperzia, nízka tvrdosť, vyššia hustota.
Šeelit v kvalite prírodného drahokamu je taký vzácny, že brúsené kamene tohto minerálu (wolframan vápenatý) sa považujú skôr za zberateľský kúsok ako za seriózny materiál na použitie v šperkoch.
Syntetický scheelit získaný Czochralského metódou sa však vyrába vo veľkých množstvách vo forme veľkých priehľadných kusov a pomerne často sa predáva na trhu ako prírodný materiál a je spoplatnený vysokou cenou.
Znakom syntetizovaného kameňa môže byť prítomnosť zakrivených čiar, veľmi podobných čiaram pozorovaným v syntetike Verneuil, ako aj oblaky veľmi malých bubliniek.
Niobát lítny
Niobát lítny Vyznačuje sa vysokým dvojlomom, zvýšenou špecifickou hmotnosťou a nízkou tvrdosťou, nedostatočnou žiarou v UV žiarení.
Niobát lítny(LiNbO 3) je zlúčenina nióbu, lítia a kyslíka. Bezfarebná tuhá látka s romboedrickou štruktúrou. Teplota topenia 1257 °C, hustota 4,65 g/cm3.
Kryštály niobátu lítneho sú opticky transparentné v rozsahu vlnových dĺžok 0,4-5,0 mikrónov; index lomu obyčajného lúča je 2,29, mimoriadneho lúča je 2,20 (pre vlnovú dĺžku 0,63 μm).
Kryštály neobátu lítneho dopované Fe sú sľubné na vytváranie holografických systémov riadenia laserového lúča ako filmových svetlovodov. Vlnovody na ňom založené sa používajú pre elektrooptické a akusticko-optické spínacie zariadenia atď.
Fabulite
Fabulite sa od diamantu líši tvrdosťou (6,5 na Mohsovej stupnici), hustotou 5,13 g/cm 3 (výrazne vyššou ako má diamant). Synonymá: diagem, starilan.
Je takmer úplne nerozoznateľný z hľadiska indexu lomu, disperzie (0,190), izotropie a farby.
Fabulite- syntetický analóg minerálu tausonitu, titaničitan strontnatý. Počiatočná farba je čierna, pre zosvetlenie a priehľadnosť sa fabulite vyžíha a získa sa materiál teplých tónov od žltej po tmavočervenú alebo hnedú v dôsledku nečistôt vanádu, chrómu, železa a iných. Prímes nióbu a tantalu dodáva materiálu modrý nádych.
Jedná sa o veľmi pôsobivý rezný materiál.
Lesk skla.
Dublety
Okrem všetkých napodobenín a falzifikátov sú známe aj diamantové dublety: v tomto prípade je horná časť kameňa vyrobená z diamantu a spodná časť je vyrobená z bezfarebného syntetického zafíru, horského krištáľu alebo skla; Niekedy sa diamantové dublety vyrábajú zo syntetického spinelu (horná časť) a fabulitu (spodná časť).
Jedným z najpoužívanejších pevnolátkových laserov je dnes laser, v ktorom ytriový hliníkový granát slúži ako matrica a ióny ako aktivátor. Akceptované označenie pre tento laser je
Laser má relatívne nízky prah excitácie a vysokú tepelnú vodivosť, čo umožňuje generovať laser s vysokou frekvenciou opakovania impulzov, ako aj laser v kontinuálnom režime. Účinnosť lasera je relatívne vysoká; dosahuje niekoľko percent.
Hlavné prechody neodýmového iónu v granáte sú znázornené na obr. 1.16. Medzi určitými atómovými časticami dochádza k prechodom, ktoré sú na obrázku znázornené ako „energetické pásy“. Každý „pás“ (každý člen) zodpovedá skupine relatívne úzkych energetických hladín, ktoré sú výsledkom rozdelenia daného člena v elektrickom poli kryštálovej mriežky granátu (Starkove rozdelenie).
Počas čerpacieho procesu prechádzajú neodýmové ióny zo základného stavu zodpovedajúceho termínu do troch skupín stavov: A, B, C. Skupina A zodpovedá termínom, skupina B – termíny a skupina B – termín. zodpovedajú trom pásom v absorpčnom spektre neodýmu v granáte,
znázornené na obr. 1,17, a (pásy A, B a C). Jemná štruktúra absorpčných pásov, jasne viditeľná na obrázku, odráža efekt Starkovho rozdelenia pojmov.
Termín je horná pracovná „úroveň“. Neodymové ióny sú osvetlené a pohybujú sa z tejto „úrovne“ na úrovne zodpovedajúce teplotám. Hlavný podiel energie (60%) sa zobrazuje v prechodoch, je zvykom uvažovať o úrovniach zodpovedajúcich pojmu na obr. je uvedené luminiscenčné spektrum neodýmu v granáte pre prechody.Spektrum obsahuje 7 čiar; najintenzívnejšie čiary sú 1,0615 a 1,0642 µm. V tabuľke 1.1 znázorňuje vlnové dĺžky pre 18 luminiscenčných čiar, berúc do úvahy rôzne prechody 114]; údaje boli získané pri teplote 300 K. V zjednodušenom pohľade na laser možno použiť štvorúrovňovú pracovnú schému; hlavná „úroveň“ - pojem 4/9/2, spodná pracovná „úroveň“ - pojem horná pracovná „úroveň“ - pojem „úroveň“ budenia - výrazy a Všimnite si, že prechody sú v dipólovej aproximácii zakázané (opticky zakázané), keďže s pri takýchto prechodoch sa orbitálne kvantové číslo neodýmového iónu zmení na 3; preto sú stavy zodpovedajúce -termom metastabilné.
