Иттрий-алюминиевый гранат (YAG): Ключевой материал для лазеров и люминесцентных приложений

1 Введение

Иттрий-алюминиевый гранат (YAG) с химической формулой Y₃Al₅O₁₂ - это синтетический кристаллический материал, известный своими исключительными физико-химическими свойствами, включая высокую температуру плавления (1950°C), превосходную теплопроводность (10-14 Вт/м-К) и замечательную оптическую прозрачность в диапазоне от ультрафиолетовой до средней инфракрасной длины волны (0,25-5,0 мкм). Как кристалл с кубической структурой граната, YAG демонстрирует изотропное оптическое поведение, стабильный показатель преломления (n=1,823 @589 нм) и отличную механическую твердость (твердость по Виккерсу 13-15 ГПа), что делает его краеугольным материалом в передовых технологических приложениях.

Рис. 1 Кристалл иттриево-алюминиевого граната (YAG)

Универсальность YAG обусловлена его способностью вмещать редкоземельные ионы (например, Nd³⁺, Ce³⁺, Er³⁺) путем легирования, что позволяет изменять его оптические, тепловые и электронные свойства. Например, Nd³⁺-допированный YAG (Nd: YAG) служит основой мощных твердотельных лазеров, обеспечивая прецизионную промышленную обработку и минимально инвазивные медицинские процедуры. В то же время Ce³⁺-допированный YAG (Ce: YAG) произвел революцию в технологии белых светодиодов, преобразовав синий свет в желтое излучение широкого спектра, достигнув квантовой эффективности более 90 %. Помимо фотоники, термическая стабильность YAG и низкий коэффициент теплового расширения (6,9×10-⁶/°C) определяют его роль в экстремальных условиях, таких как мониторинг ядерных реакторов и исследование морских глубин.

Недавние достижения в производстве YAG - от монокристаллов , выращенных Чохральским, до прозрачной керамики, обработанной методом HIP, - расширили возможности его применения в различных дисциплинах. Однако сохраняются такие проблемы, как высокая стоимость производства и ограничения оптической однородности. В этой статье систематически рассматриваются основные характеристики YAG, стратегии легирования и междисциплинарные применения, а также текущие узкие места и будущие инновации, способные раскрыть весь его потенциал в квантовых технологиях, возобновляемой энергетике и других областях.

2 Краткое введение в YAG

Иттрий-алюминиевый гранат, или YAG, - это кристаллический материал, синтезированный из оксида алюминия с химической формулой _Y3Al5O12, молекулярная масса которого составляет 593,7 г/моль. Этот кристалл имеет кубическую структуру и демонстрирует значительную твердость в диапазоне от 8 до 8,5. Его температура плавления составляет поразительные 1950°C, плотность - 4,55 г/см³, хорошая термическая стабильность, теплопроводность - около 0,14 Вт/см-Кельвин, коэффициент тепловой диффузии - 0,050 см²/сек. Коэффициент расширения составляет 6,9 x ^10-6/°C, коэффициент преломления - 1,823, а диэлектрическая проницаемость - 11,7%. Чистый YAG бесцветен, а при легировании неодимом он демонстрирует розовато-фиолетовые спектральные характеристики с поглощением света 0,2% на сантиметр.

Химически YAG нерастворим в серной кислоте (_H2SO4), азотной кислоте (_HNO3) и обычных сильных кислотах, таких как фтористоводородная кислота (HF). Однако при повышенных температурах он растворим в фосфорной кислоте (_H3PO4) при температуре выше 250°C и в смеси оксида свинца и фторида свинца (_PbO-PbF2) при температуре выше 556°C. Модуль упругости YAG составляет 33,32 x¹⁰¹¹ дин/см² для C11, 11,07 x¹⁰¹¹ дин/см² для C12, 11,05 x¹⁰¹¹ дин/см² для C14, в то время как модуль упругости объемного материала составляет 18,5 ×¹⁰¹¹ дин/см². Коэффициент Пуассона находится в диапазоне 0,25-0,27, что отражает их хорошие механические свойства.

Рис. 2 Модель кристаллической структуры YAG

Как высокоэффективный функциональный материал, YAG (иттрий-алюминиевый гранат) с его уникальными физико-химическими свойствами, такими как высокая теплопроводность, отличная оптическая прозрачность, химическая стабильность и гибкая легируемость, продемонстрировал незаменимую стратегическую ценность в таких высокотехнологичных областях, как оптоэлектроника, медицина и промышленное производство. Благодаря легированию редкоземельными ионами (например, Nd³⁺, Ce³⁺) их функции можно точно регулировать, и они могут использоваться в качестве основной среды мощных лазеров для прецизионной обработки и минимально инвазивного медицинского лечения, а также в виде флуоресцентных материалов и высокотемпературостойких компонентов для разработки новых источников энергии и обнаружения экстремальных условий окружающей среды. Достижения в технологии подготовки материалов в сочетании с растущим числом междисциплинарных применений позволили YAG постоянно разрушать традиционные границы. В результате он стал важнейшим катализатором развития современной науки и техники, начиная с фундаментальных исследований и заканчивая модернизацией промышленности.

3 Основные характеристики YAG

3.1 Оптические свойства YAG

YAG - это высокоэффективный оптический кристалл с превосходными оптическими свойствами благодаря уникальной структуре и регулируемому легированию. Кристаллы YAG демонстрируют широкое окно пропускания в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до среднего инфракрасного (0,25-5,0 мкм), а низкие потери пропускания в ближней инфракрасной (1,06 мкм) и средней инфракрасной (2,94 мкм) областях делают их идеальной средой для лазерных технологий. Низкие потери на передачу в ближней инфракрасной (1,06 мкм) и средней инфракрасной (2,94 мкм) областях делают кристаллы YAG идеальной средой для лазерных технологий. Изотропная структура кубической кристаллической системы обеспечивает стабильный показатель преломления (n=1,82 @589 нм) и низкие дисперсионные характеристики, а оптическая однородность может быть дополнительно оптимизирована с помощью передовых процессов выращивания монокристаллов или спекания прозрачной керамики, чтобы потери рассеяния были ниже 0,1%/см. С точки зрения лазерных характеристик, легирование редкоземельными ионами значительно расширяет потенциал функционализации: Nd³⁺-допированный YAG (Nd: YAG) стал основной средой усиления для мощных твердотельных лазеров с сильным пиком излучения при 1064 нм и квантовой эффективностью до 70%, а Er³⁺-допированный YAG (Er: YAG) использует длину волны 2940 нм и высокое соответствие пику поглощения молекул воды, демонстрируя уникальные преимущества в точной абляции биологических тканей. Кроме того, Ce³⁺-допированный YAG (Ce: YAG) излучает желтый свет широкого спектра (пик 550 нм) при возбуждении синим светом с квантовой эффективностью более 90%, что делает его ключевым компонентом материалов для преобразования флуоресценции белых светодиодов, а его высокотемпературные (>150°C) и устойчивые к УФ-излучению свойства гарантируют долгосрочную стабильность осветительных устройств.

Кроме того, YAG обладает выдающимися характеристиками защиты от лазерных повреждений. Порог повреждения монокристаллического материала при длине волны 1064 нм и длительности импульса 10 нс достигает 15-20 Дж/см², что намного выше, чем у сапфира и плавленого кварца, а прозрачная керамика может приблизиться к уровню монокристалла благодаря границам зерен, что дает больше возможностей для разработки оптических компонентов мощных лазеров. Однако термооптический коэффициент YAG (dn/dT=7,^{3×10-8 K-1}) приводит к эффекту теплового линзирования при накачке на высокой мощности, и тепловые аберрации необходимо подавлять путем оптимизации охлаждения или легирования ^Cr4+, пассивных методов Q-модуляции. Не следует игнорировать влияние температуры на характеристики флуоресценции; например, интенсивность флуоресценции Ce: YAG интенсивность флуоресценции снижается примерно на 30% при температуре выше 200°C, но термическая стабильность может быть значительно улучшена путем замещения элементов (например, Lu³⁺ частично заменяет Y³⁺). В области нелинейной оптики YAG может реализовать эффект самоудвоения (1064 нм→532 нм) путем совместного легирования Nd³⁺ и MgO, что упрощает структуру лазерной системы; в то же время его пропускание более 95% сохраняется после облучения γ-радиацией (доза 100 кГр), что подчеркивает его применимость в условиях ядерного излучения. Благодаря таким комплексным оптическим свойствам YAG не только стал основным материалом для лазерных технологий, преобразования флуоресценции и оптоэлектронного обнаружения, но и продолжает раскрывать инновационный потенциал в таких передовых областях, как обнаружение экстремальных условий и высокочастотные устройства связи, способствуя скачкообразному развитию технологий оптоэлектроники от фундаментальных исследований до промышленного применения.

Рис. 3 Кристаллические стержни YAG-лазера

3.2 Тепловые свойства YAG

Тепловые свойства YAG имеют решающее значение для его использования в мощных лазерах, высокотемпературных окнах и устройствах, предназначенных для работы в экстремальных условиях. Его ключевые тепловые характеристики включают высокую теплопроводность, отличную термостабильность и низкий коэффициент теплового расширения. Являясь оксидной керамикой кубической кристаллической системы, теплопроводность YAG может достигать ^10-14 Вт/(м-К) при комнатной температуре, что значительно выше, чем у большинства оксидных материалов (например, 1,4 Вт/(м-К) для кварцевого стекла). Это свойство обусловлено компактной кристаллической структурой и высокой эффективностью распространения фононов, которые могут эффективно рассеивать локальное накопление тепла и тем самым препятствовать термотропной деформации при мощной лазерной накачке или в высокотемпературных средах. Это свойство обусловлено его компактной кристаллической структурой и высокой эффективностью распространения фононов, которые могут эффективно рассеивать локализованное накопление тепла и тем самым препятствовать термотропной деформации при мощной лазерной накачке или высокой температуре. В то же время YAG имеет высокую температуру плавления 1970°C и почти не подвергается фазовому переходу или разложению ниже 1600°C, что делает его превосходным для устойчивости к высоким температурам в таких сценариях, как наблюдение за высокотемпературными расплавленными металлами и мониторинг ядерных реакторов. Кроме того, коэффициент теплового расширения YAG (^{~8×10-8 K-1}) остается линейным в широком диапазоне температур (25-1000°C), что обеспечивает превосходные характеристики по сравнению со многими металлами или сплавами (например, ^{16×10-6 K-1} у нержавеющей стали) и превосходную стабильность размеров по сравнению со многими металлами или сплавами (например, ^{16×10-6 K-1} у нержавеющей стали). Это свойство не только снижает риск растрескивания под воздействием термоциклических нагрузок, но и обеспечивает хорошее тепловое соответствие с полупроводниками или металлическими подложками, например, позволяет избежать проблем межфазного отслоения из-за теплового несоответствия при использовании в качестве опорного слоя электролита в твердооксидных топливных элементах (SOFC).

Стойкость YAG к тепловому удару также является выдающейся, и его параметр стойкости к тепловому удару достигает 200-300 Вт/м (σ - прочность на разрыв, ν - коэффициент Пуассона, α - коэффициент теплового расширения и E - модуль упругости), что, благодаря синергетическому эффекту низкого теплового расширения и высокой прочности, позволяет достичь хорошего теплового соответствия в условиях быстрого повышения и понижения температуры (например, лазерный импульсный нагрев или зондирование глубоководных гидротермальных источников) и сохранить целостность структуры. Однако термооптический коэффициент YAG (dn/dT = 7,3 × ^{10-6 K-1}) приводит к неравномерному распределению показателя преломления по градиенту температуры, что вызывает эффект теплового линзирования в мощных лазерах в виде аберраций волнового фронта луча и смещения точки фокуса. По этой причине в технике часто оптимизируют структуру охлаждения (например, микроканальное жидкостное охлаждение) или модификацию легирования (например, введение ^Cr4+ для формирования насыщающегося поглотителя), чтобы сбалансировать распределение тепловой нагрузки и уменьшить влияние теплового эффекта на оптические характеристики. Стоит отметить, что теплопроводность прозрачной керамики YAG, полученной по технологии спекания нанопорошка, несколько ниже, чем у монокристаллов (~8-12 Вт/(м-К)), но дефекты решетки могут быть уменьшены за счет инженерии границ зерен (например, путем добавления спекающих добавок MgO или _SiO2 ), что позволяет приблизить тепловые характеристики к уровню монокристаллов и в то же время реализовать экономически эффективную обработку устройств большого размера и сложной формы. Таким образом, синергетическая оптимизация тепловых свойств YAG с его оптическими и механическими свойствами делает его идеальным кандидатом на создание высокопроизводительных устройств в экстремальных температурных условиях, что продолжает стимулировать инновационное развитие высокоэнергетических лазерных систем, технологий высокотемпературного зондирования и нового энергетического оборудования.

Таблица 1 Сравнение тепловых свойств YAG с другими материалами

3.3 Механические свойства YAG

Механические свойства YAG являются одним из основных преимуществ, которые делают его предпочтительным выбором для применения в условиях высоких нагрузок, износостойкости и экстремальных условий окружающей среды. YAG обладает превосходной твердостью, жесткостью и износостойкостью. Его твердость по Виккерсу (HV) составляет от 13 до 15 ГПа, что близко к твердости сапфира (~20 ГПа) и намного выше, чем у традиционных стеклянных материалов - например, у кварцевого стекла HV составляет около 7 ГПа. Эти свойства делают YAG подходящим для защиты оптических окон и прецизионных инструментов для обработки. Модуль упругости YAG (280-300 ГПа) сопоставим с модулем упругости высокочистого глинозема (~380 ГПа), но из-за относительно низкой вязкости разрушения (1,5-2,0 ^{МПа-м¹/²}) он подвержен хрупкому разрушению при высоких ударных нагрузках. Для улучшения характеристик, препятствующих растрескиванию, необходимо оптимизировать состав материала или конструкцию (например, ввести нанокристаллические границы или упрочнить волокна). Стоит отметить, что механическая прочность YAG остается стабильной при высоких температурах, например, прочность на сжатие при 1000°C составляет 800-1000 МПа, что лучше, чем у большинства металлических сплавов (например, у высокотемпературных сплавов на основе никеля - 500-700 МПа), что делает его пригодным для использования в высокотемпературных печах, горячих компонентах авиационных двигателей и других высокотемпературных и высоконагруженных приложениях. Эта характеристика делает его ценным для использования в высокотемпературных и высоконапряженных средах, таких как смотровые окна высокотемпературных печей и горячие компоненты авиационных двигателей.

Низкий коэффициент теплового расширения (~8 × ^{10-6 K-1}) и высокая теплопроводность (10-14 Вт/(м-K)) YAG синергетически снижают накопление теплового напряжения, вызванного быстрыми изменениями температуры. Как уже упоминалось, параметр устойчивости YAG к тепловому удару (R = σ(1-ν) / αE) достигает 200-300 Вт/м. Здесь σ - предел прочности при растяжении, ν - коэффициент Пуассона, α - коэффициент теплового расширения, а E - модуль упругости. Такая высокая прочность позволяет YAG выдерживать интенсивные термические циклы от комнатной температуры до 1600°C. Например, при использовании в качестве высокотемпературной подложки в лазерных оболочках или в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах YAG демонстрирует отличную долговременную стабильность. Однако хрупкая природа YAG делает его сложным для обработки. Обычная механическая обработка чревата появлением микротрещин, поэтому часто используются бесконтактные методы прецизионной обработки, такие как лазерная резка и ультразвуковая вибрационная обработка. Прозрачная керамика YAG, полученная методом спекания нанопорошка, имеет механические свойства несколько ниже, чем у монокристаллических материалов - например, твердость снижается примерно на 10%. Модуляция границ зерен, например, добавление спекающих добавок MgO или SiO₂, в сочетании с последующей обработкой горячим изостатическим прессованием (HIP) позволяет значительно улучшить плотность и прочность сцепления границ зерен. Процесс HIP позволяет значительно повысить плотность и прочность связи между границами зерен, а также увеличить вязкость разрушения до более чем 2,5 ^МПа-м1/2, что отвечает требованиям механической надежности крупногабаритных и сложных конструкций. В экстремальных условиях, таких как прозрачный купол высокого давления глубоководного зонда, скорость деформации YAG под гидростатическим давлением 100 МПа составляет менее 0,05%, а высокий коэффициент пропускания сохраняется под высоким давлением, что подчеркивает синергетические преимущества его механических и оптических свойств.

В целом, комплексные механические свойства YAG показывают его незаменимый потенциал применения в тяжелых условиях работы, таких как высокая температура, высокое давление и сильное истирание, и ожидается, что в будущем он будет распространен на более требовательные инженерные области, такие как аэрокосмическая промышленность и мониторинг ядерной энергии, путем дальнейшей оптимизации микроструктурного дизайна и многомасштабной композитной стратегии.

4 Допирование YAG редкоземельными ионами

Иттрий-алюминиевый гранат (_Y3Al5O12) - идеальный матричный материал для легирования редкоземельными ионами благодаря стабильной кубической структуре граната и перестраиваемым свойствам легирования. Введение различных редкоземельных ионов может значительно изменить их оптические, тепловые и лазерные свойства, что расширяет их применение в лазерах, люминесцентных материалах, медицинских приборах и других областях.

4.1 Допирование Nd³⁺ (ионами неодима)

Характеристика и механизм лазерного излучения:

Nd³⁺-допированный YAG (Nd: YAG) является одним из самых классических лазерных материалов. Ионы Nd³⁺ излучают лазеры ближнего инфракрасного диапазона 1064 нм через скачок _4F3/2 → _4I11/2 с квантовой эффективностью до 70%. Пик поглощения расположен при 808 нм, что хорошо совместимо с полупроводниковыми лазерными диодными источниками накачки (ЛД) и подходит для мощного непрерывного или импульсного лазерного излучения.

Рис. 4 Кривые поглощения и излучения кристаллов Nd: YAG

Области применения:

В промышленном производстве и обработке для резки металла, сварки и обработки микроотверстий, до нескольких киловатт. В медицине Nd:YAG-лазеры используются в офтальмологической хирургии (например, для лечения глаукомы) и дерматологии для точного лечения пигментных заболеваний (например, мелазмы). В научных исследованиях и военных приложениях, где требуются высокоэнергетические источники света, Nd: YAG используется для изготовления основных компонентов источников света высокоэнергетических лазерных систем и LIDAR.

Проблемы подготовки и усовершенствования:

При выращивании монокристаллов Nd: YAG методом растяжения возникают дислокационные дефекты из-за тепловых напряжений, и их необходимо обрабатывать высокотемпературным отжигом (1800-1900°C) в сочетании со смешанной аргонно-кислородной атмосферой, чтобы уменьшить количество кислородных вакансий и плотность дислокаций. Прозрачная керамика вместо монокристаллов позволяет снизить стоимость и реализовать легирование большого размера, например, линейное пропускание Nd: YAG керамики при 1064 нм достигает 83,4%.

4.2 Допирование Yb³⁺ (ионами иттербия)

Характеристика и преимущества:

^{Yb3+-допированный} YAG (Yb: YAG) имеет широкую полосу поглощения (940-980 нм) и высокое время жизни энергетического уровня (~1 мс), что делает его пригодным для высокоэффективной диодной накачки. Длина волны излучения 1030 нм и низкая тепловая нагрузка делают его пригодным для высокочастотных сверхбыстрых лазерных систем.

Приложения и достижения:

Yb: YAG-керамика имеет пропускание более 84 % в условиях вакуумного спекания (1765 °C × 50 ч) и выходную мощность до 10 кВт для лазеров высокой мощности. Совместное легирование Tm³⁺ позволяет получить лазеры безопасного для человеческого глаза диапазона 1,8-1,9 мкм для LIDAR и обнаружения газов.

Оптимизация получения:

Метод твердофазной реакции в сочетании с добавками для спекания MgO/SiO₂ позволяет повысить плотность керамики, а метод холодного изостатического формования дополнительно оптимизирует микроструктуру.

4.3 Допирование другими элементами

YAG, легированный ^Er3+(Er: YAG), излучает лазерное излучение средней инфракрасной области длиной 2940 нм через ^{4I₁₁/₂→4I₁₃/₂}скачок, длина волны которого в значительной степени соответствует сильному пику поглощения молекулы воды (~3 мкм), что позволяет ему демонстрировать уникальные преимущества в минимально инвазивной хирургии биологических тканей. Это свойство делает его уникальным преимуществом в минимально инвазивной хирургии биологических тканей. Например, Er:YAG-лазеры позволяют проводить точную абляцию при иссечении зубов и восстановлении кожи, при этом значительно повышая эффективность послеоперационного заживления за счет минимальной площади термического повреждения. Для дальнейшей оптимизации эффективности накачки в качестве кодопантного иона часто используется ^Yb3+ (Er, Yb: YAG), а широкая полоса поглощения ^Yb3+ при 940-980 нм используется для повышения эффективности передачи энергии, что в сочетании с техникой быстрого роста lift-off позволяет получить высококачественные монокристаллы диаметром 80 мм. Плотность коррозионных ям составляет менее 10² см-², а оптическая однородность превосходна, что отвечает требованиям мощных лазеров.

В области люминесцентных материалов, ^{Ce3+-допированный} YAG (Ce: YAG) в качестве основного компонента белого светодиода, через синий свет (450-470 нм) возбуждения может излучать широкий спектр желтого света (пик 550 нм), квантовая эффективность более 90%, и устойчивость к высоким температурам и УФ-старения характеристики осветительного устройства в долгосрочной стабильности службы. Сервис. Благодаря поверхностному плазмонному соединению возбуждения (например, модификации золотых наночастиц) квантовый выход может быть дополнительно увеличен до 66 %, что значительно повышает интенсивность свечения. Кроме того, ^Ce3+ и ^Yb3+, совместно легированные YAG (Ce, Yb: YAG), могут преобразовывать ультрафиолетовый свет в ближний инфракрасный (~1000 нм), что уменьшает УФ-индуцированное комплексообразование носителей при применении к солнечным элементам на основе кремния и увеличивает эффективность преобразования энергии с 11,7 до 12,2%, обеспечивая новую стратегию спектрального управления фотоэлектрическими устройствами. Это обеспечивает новую стратегию спектрального управления фотоэлектрическими устройствами.

Для применения в лазерах с более длинными волнами значительную ценность представляют YAG, легированные ^Tm3+ и ^Ho3+. Лазеры на 2 мкм с Tm: YAG обеспечивают высокую точность при разрезании мягких тканей и зондировании газов, а совместное легирование с Ho³⁺ (Tm, Ho: YAGs) может быть настроено на 2050 Лазерное излучение 2,1 мкм, испускаемое при легировании только Ho: YAG, может точно дробить камни при литотрипсии в урологии благодаря высокому коэффициенту поглощения воды и снижению теплового повреждения окружающих тканей, что делает его важным инструментом для минимально инвазивных методов лечения.

Рис. 5 Спектр излучения Tm: Спектр излучения YAG-лазера, спектр поляризационного поглощения и спектр поляризационного усиления кристалла Ho: YAP

Кроме того, легирование редкоземельными ионами, такими как ^Dy3+ и ^Pr3+, еще больше расширяет функциональные границы YAG. Dy³⁺-допированный YAG (Dy: YAG) может излучать синий (480 нм) и желтый (580 нм) свет одновременно при УФ-возбуждении, а при совместном допировании с ^Ce3+ можно регулировать цвет излучения для удовлетворения потребностей специального освещения или подсветки дисплея; и ^{Pr3+-допированный} YAG (Pr: YAG) излучает красный свет (610 нм), спектр которого совпадает с пиком поглощения фотосинтеза в растениях, и в качестве источника света лампы для роста растений он может способствовать росту культур, что подчеркивает потенциальное применение материалов YAG в области сельскохозяйственной оптоэлектроники. Это подчеркивает потенциальное применение материалов YAG в области сельскохозяйственной оптоэлектроники. Эти разнообразные системы легирования не только обогатили функциональные свойства YAG, но и способствовали его кросс-инновационному развитию в области медицины, энергетики и сельского хозяйства.

5 основных областей применения YAG

Благодаря своим превосходным физико-химическим свойствам и гибкой функционализации YAG проник во многие высокотехнологичные области и стал одним из основных материалов, стимулирующих технологические инновации. Ниже приводится систематическое описание их ключевых ролей в различных областях применения:

5.1 Лазерные технологии и высокотехнологичное производство

В области лазеров YAG реализовал многодиапазонный, мощный лазерный выход благодаря легированию редкоземельными элементами и стал основным инструментом для промышленной обработки и точного производства. Если взять в качестве примера Nd³⁺-допированный YAG (Nd: YAG), то его лазер ближнего инфракрасного диапазона 1064 нм может выдавать мощность в несколько киловатт, что широко используется для резки толстых металлических листов (например, 20-миллиметровой углеродистой стали) и сварки аэрокосмических сплавов, и он имеет более высокую плотность энергии и глубину проникновения, чем традиционный CO₂ лазер. Для прецизионной обработки на микронном уровне (например, абляция фотоэлементов или обработка микровинтами компонентов бытовой электроники) короткоимпульсная природа Q-настроенного Nd:YAG-лазера (длительность импульса <10 нс) значительно уменьшает зону теплового воздействия и повышает точность обработки. В то же время среднеинфракрасный лазер Er: YAG с длиной волны 2940 нм стал "золотым стандартом" для резки твердых тканей зубов и восстановления кожи благодаря своим сильным свойствам поглощения молекул воды, а высокоэффективные характеристики диодной накачки Yb: YAG (квантовая эффективность >80%) способствуют коммерциализации волоконных лазеров киловаттного класса.

Рис. 6 Эллиптический цилиндрический отражатель

5.2 Здравоохранение и биоинженерия

Применение YAG в медицине ориентировано на точность и минимальную инвазивность, с терапевтическими и диагностическими функциями. В офтальмологии Nd:YAG-лазер можно использовать для лечения глаукомы с помощью периметрии радужной оболочки, которая требует всего несколько миллиджоулей энергии для разблокировки путей циркуляции водянистой влаги, с разрезом менее 0,1 мм и сокращением периода восстановления пациента до 24 часов после операции. В дерматологии Q-настроенный Nd: YAG лазер (длина волны 1064 нм) может нацеливаться на частицы меланина и разрушать их, что используется для лечения хлоазмы и невуса Ота, и в то же время стимулировать регенерацию коллагена для восстановления кожного барьера. Кроме того, Ho:YAG-лазер с длиной волны 2,1 мкм продемонстрировал высокую безопасность в урологической литотрипсии, где его энергия поглощается камнем и генерирует механическую волну напряжения, обеспечивая "порошковую литотрипсию" без термического повреждения тканей. В области биовизуализации используются люминофоры Ce: YAG люминофоры, интегрированные с синими светодиодами, обеспечивают высокоточную подсветку для минимально инвазивных операций с индексом цветопередачи более 85 для эндоскопических источников света.

Рис. 7 Лазерная терапия YAG

5.3 Оптоэлектроника и передовое освещение

Основной вклад YAG в области оптоэлектроники отражен в прорыве светодиодной технологии белого света и технологии дисплеев. YAG, легированный ^Ce3+ (Ce: YAG), в качестве слоя преобразования флуоресценции может преобразовывать излучение 450-470 нм синего светодиода в желтый свет широкого спектра (500-700 нм), который смешивается и образует холодный белый свет (цветовая температура 5500-6500 K) с квантовой эффективностью более 90%. Свет смешивается, образуя холодный белый свет (цветовая температура 5500-6500 K) с квантовой эффективностью более 90%, а свойство устойчивости к высоким температурам (>150°C) гарантирует стабильность работы светодиодного светильника при длительной эксплуатации. Благодаря совместному легированию Tb³⁺/Ce³⁺ спектр излучения может быть настроен на тепло-белую область (цветовая температура 2700-3000 K), что отвечает требованиям внутреннего освещения по индексу цветопередачи (CRI>90). В области подсветки дисплеев ^{Dy3+-допированный} YAG (Dy: YAG) излучает синий и желтый свет синхронно через УФ-возбуждение, и вместе с пленкой квантовых точек он может достичь сверхширокого цветового охвата (NTSC 120%), который стал ключевым оптическим материалом для мини-светодиодных дисплеев.

5.4 Новые энергетические и экологические технологии

Применение YAG в новой энергетике направлено на повышение эффективности преобразования и хранения энергии. Ce, Yb, со-допированный YAG, может преобразовывать ультрафиолетовый свет (300-400 нм) в ближний инфракрасный свет (~1000 нм), совпадая с полосой пропускания солнечных элементов на основе кремния и уменьшая потери комплексов носителей из-за ультрафиолетового света, что может повысить эффективность преобразования фотовольтаики с 11,7 до 12,2 %. В твердооксидных топливных элементах (SOFC) YAG используется в качестве опорного слоя электролита, а его высокая теплопроводность (10-14 Вт/(м-К)) и низкий коэффициент теплового расширения (^{~8×10-6 K-1}) позволяют эффективно сбалансировать тепловое напряжение ячейки и продлить срок службы до более чем 40 000 часов. . Кроме того, пористая керамика YAG (пористость >40%), как высокотемпературный фильтрующий материал, может улавливать частицы микронного размера в промышленных отходящих газах при температуре 1000°C с эффективностью фильтрации 99,5%, помогая сталелитейной и химической промышленности перейти на сверхнизкие выбросы.

5.5 Пограничные исследования и изучение экстремальных условий

В фундаментальных научных исследованиях устойчивость YAG к экстремальным условиям окружающей среды обеспечивает ключевую материальную поддержку для исследования дальнего космоса и глубокого океана. Например, прозрачный керамический купол YAG (диаметром 200 мм) сохраняет светопропускание более 80 % при гидростатическом давлении 100 МПа в морских глубинах, что гарантирует четкое изображение системы камер всеокеанской глубины в пучине глубиной 10 000 метров. В области ядерной энергетики кристаллы YAG: Ce используются в качестве детекторов излучения, которые могут сохранять 95 % стабильность светового потока после γ-облучения (доза 100 кГр), и применяются для мониторинга нейтронного потока в реакторе. В квантовой науке и технике свойства когерентного фотонного излучения (ширина линии <10 кГц) YAG, легированного ^Er3+, представляют собой новое решение для оптической квантовой памяти, а его долгоживущее спиновое состояние (>1 мс), как ожидается, позволит манипулировать квантовыми битами при комнатной температуре. Кроме того, микроволновая диэлектрическая керамика на основе YAG (диэлектрическая проницаемость 9,1-10,8, значение Q*f 171 000 ГГц), как основной материал для фильтров связи 5G/6G, может снизить потери при передаче сигнала до 0,1 дБ/см, поддерживая глобальное развертывание высокочастотного диапазона связи.

Рис. 8 Прозрачная керамика на основе иттрий-алюминиевого граната

6 Технология приготовления YAG

Технология получения YAG (иттрий-алюминиевого граната) охватывает выращивание монокристаллов, формовку прозрачной керамики, осаждение тонких пленок и другие направления, и выбор процесса напрямую влияет на оптические, тепловые и механические свойства материала. В области выращивания монокристаллов метод Чохральского является основной технологией для промышленного производства. Этот метод будет высокочистого _Y2O3 и _Al2O3 сырья в соответствии со стехиометрическим соотношением плавления в иридиевом тигле, через точный контроль градиента температуры расплава (центр и край разница температур около 5-10 ℃), скорость вытягивания (0,5-5 мм / ч) и скорость вращения семенного кристалла (10-30 об / мин).

Рис. 9 Метод Чохральского

Хотя метод вытягивания позволяет получать кристаллы большого размера с равномерным легированием (например, отклонение концентрации ^Nd3+ <±1%), риск образования трещин, вызванных термическим напряжением, необходимо снижать путем высокотемпературного отжига (1600 °C × 24 ч, атмосфера аргона), а для предотвращения металлического загрязнения иридиевых тиглей добавляется избыточное количество _Al2O3 (3-5 мас. %).

Другой метод выращивания монокристаллов - метод температурных градиентов (TGT) - позволяет добиться направленного затвердевания кристаллов за счет создания статического температурного поля. Метод не требует механического подъема и вытягивания, а опирается на осевой градиент температуры (>50°C/см), заставляющий расплав кристаллизоваться снизу вверх, что особенно подходит для систем с высокой температурой плавления и высокой вязкостью (например, YAG). Несмотря на меньшую скорость роста (0,1-0,5 мм/ч), внутренние напряжения в кристаллах гораздо ниже, а колебания показателя преломления можно контролировать в пределах ^1×10-6, что делает этот метод идеальным выбором для высокоэнергетических сред усиления лазера.

При приготовлении прозрачной керамики по технологии нанопорошкового спекания синтезируются порошки-предшественники YAG с размером частиц 50-100 нм методом золь-гель или соосаждения, а после сухого прессования или литья под давлением последовательно проводятся низкотемпературное предварительное спекание (1600-1700°C × 2-4 ч) и высокотемпературное окончательное спекание (1750-1800°C × 10-20 ч), и в итоге получается плотная керамика со светопропусканием >80% (@1064 нм) и пористостью <0.01%. Для дальнейшего улучшения характеристик технология горячего изостатического прессования (HIP) закрывает микропоры путем пластической деформации при 1700-1750°C под давлением аргона 100-200 МПа, что повышает вязкость разрушения керамики с 1,5 ^{МПа-м¹/²} до 2,2 ^{МПа-м¹/²}, а порог лазерного повреждения синхронно увеличивается до 15 Дж/см² (@1064 нм, длительность импульса 10 нс).

В области подготовки тонких пленок импульсное лазерное осаждение (PLD) использует высокоэнергетический лазер (например, эксимерный лазер KrF, 248 нм) для бомбардировки мишени YAG, осаждая тонкую пленку толщиной 50-500 нм на подложку при температуре 600-800°C, с шероховатостью поверхности <1 нм и точно контролируемым стехиометрическим соотношением, что подходит для наноразмерных оптических волноводных устройств. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD), с другой стороны, обеспечивает равномерный рост пленок YAG большой площади (>200 мм в диаметре) и высокой чистоты (>99,99%) путем реакции пиролиза металлоорганических прекурсоров (например, Y(thd₎₃, Al(OiPr₎₃) при температуре 800-1000°C, что особенно подходит для оптических покрытий и изготовления датчиков.

С технической и экономической точки зрения, хотя метод вытягивания может производить монокристаллы высокого оптического качества, но стоимость их высока, а цикл роста длителен (>2 недель); процесс прозрачной керамики через спекание порошка и усиление HIP позволяет реализовать массовое производство устройств сложной формы по более низкой цене, хотя пропускание немного уступает монокристаллам; технология тонких пленок, PLD подходит для точного осаждения малых площадей, а CVD более выгодна в крупномасштабном применении. В будущем ожидается, что интеграция процессов (например, совместное приготовление градиентно легированных пленок с помощью PLD и CVD) и интеллектуальная оптимизация параметров (например, машинное обучение для регулирования кривой спекания) позволят преодолеть предел производительности материалов YAG и будут способствовать их глубокому применению в области лазеров, новых энергий и квантовых технологий.

Рис. 10 Система лазерного импульсного осаждения

7 Проблемы и будущие направления

Хотя материалы YAG продемонстрировали отличные характеристики во многих областях, их широкомасштабное применение по-прежнему сталкивается со значительными техническими недостатками и технологическими проблемами. В настоящее время высокая стоимость выращивания монокристаллов большого размера ограничивается популярностью мощных лазеров, иридиевыми тиглями, необходимыми для метода вытягивания, и длительностью цикла выращивания до нескольких недель (кристаллам диаметром 100 мм требуется 20-30 дней), что приводит к высоким ценам на монокристаллы. В то же время улучшение оптической однородности прозрачной керамики остается технической проблемой, в процессе спекания зернограничные примеси смещаются и остаточная микропористость (размер <50 нм) вызывает рассеяние света, даже благодаря постобработке под горячим изостатическим давлением (HIP) линейное пропускание все равно ниже монокристалла на 3-5% (@1064 нм), что ограничивает его применение в сверхточных оптических системах. Кроме того, традиционный процесс легирования недостаточно точно контролирует валентное состояние и локальное кристаллическое поле редкоземельных ионов, что затрудняет преодоление теоретического предела для некоторых функций (например, квантовой эффективности флуоресценции или эффективности наклона лазера).

В будущем инновации в области прорывных материалов YAG должны быть сосредоточены на трех основных направлениях: разработке новых систем легирования, оптимизации процесса получения с низкими затратами и расширении междисциплинарных приложений в различных областях. С точки зрения дизайна легирования, самонастраивающийся Q-выход лазера может быть реализован с помощью синергетической модуляции ионов совместного легирования (например, комбинация ^Nd3+/Cr4+ или ^Ce3+/Eu2+ для расширения спектров флуоресцентного излучения) и наноструктурной инженерии (например, частицы YAG@SiPi в оболочке ядра). Такие частицы _YAG@SiO2 в оболочке ядра для подавления концентрационного всплеска могут дополнительно повысить функциональную плотность и экологическую адаптивность материалов. Что касается процесса подготовки, технология 3D-печати открывает новый путь для недорогого производства YAG-устройств сложной формы, например, относительная плотность прозрачной керамической заготовки YAG на основе технологии прямой записи (DIW) может достигать 99,2% после спекания при 1700°C, и ее не нужно обрабатывать в формах, что может значительно сократить производственный цикл; "зеленый" химический процесс, такой как синтез горения раствора (SCS), как ожидается, снизит энергопотребление при подготовке порошка на 40% и будет способствовать индустриализации снижения затрат и экономической эффективности. Ожидается, что процесс синтеза горения раствора (SCS) и другие "зеленые" химические процессы позволят снизить энергопотребление при подготовке порошка на 40% и будут способствовать индустриализации снижения затрат и эффективности.

Междисциплинарное междисциплинарное применение - еще один ключ к раскрытию потенциала YAG. В области ядерной энергетики композиты на основе YAG (например, YAG-SiC) могут повысить устойчивость к облучению до 10²³ н/см² (инжекция быстрых нейтронов) за счет гетерогенной модуляции интерфейса, что может быть использовано для мониторинга компонентов реактора; в области аэрокосмической промышленности композитная капсульная структура из прозрачной керамики YAG и полимера, армированного углеродным волокном (CFRP), сохраняет высокую светопропускную способность (>80% @1 мкм) при увеличении ударной прочности до 1,5 ГПа, что является наиболее важным фактором для развития YAG. Композитная структура пакета из прозрачной керамики YAG и полимера, армированного углеродным волокном (CFRP), при сохранении высокого светопропускания (>80% @1 мкм), обладает ударопрочностью 1,5 ГПа, что отвечает требованиям длительного срока службы спутниковых оптических полезных нагрузок в экстремальных условиях тепло-силовой связи. Кроме того, высокопроизводительные расчеты на основе машинного обучения ускоряют разработку новых материалов на основе YAG (например, высокоэнтропийного граната (Y, Lu, Gd₎₃(Al, Ga, Sc_)5O12), которые могут предсказать стабильность фазы и оптические свойства и направить экспериментальный синтез с помощью атомно-масштабного моделирования, и, как ожидается, откроют новые области применения в таких передовых областях, как легкие квантовые чипы и покрытия первых стенок термоядерных реакторов.

Рис. 11 Прочность высокоэнтропийной керамики со структурой граната

8 Заключение

YAG (иттрий-алюминиевый гранат) является парадигмой функционального материаловедения, органично сочетая в себе оптическое превосходство, термостойкость и механическую прочность. Его способность вмещать различные редкоземельные легирующие элементы, такие как Nd³⁺ для мощных лазеров, Ce³⁺ для эффективного преобразования флуоресценции и Er³⁺ для точной биомедицинской абляции, закрепила за ним роль стержня в современных технологиях. От создания сверхбыстрых лазерных систем и энергоэффективного освещения до развития минимально инвазивных операций и высокотемпературных датчиков - вклад YAG охватывает промышленные, медицинские и научные рубежи.

Несмотря на успехи, такие проблемы, как высокая стоимость крупномасштабного выращивания монокристаллов и остаточная пористость в прозрачной керамике, требуют инновационных решений. Новые стратегии, включая 3D-печать для сложных геометрий, оптимизацию легирования на основе машинного обучения и композитные конструкции (например, YAG-SiC для ядерных применений), обещают преодолеть эти барьеры. Кроме того, исследование высокоэнтропийных гранатов и квантовых производных YAG подчеркивает их нереализованный потенциал в фотонике следующего поколения и термоядерной энергетике.

По мере ускорения междисциплинарных исследований YAG будет оставаться важнейшим фактором технологического прогресса. Его приспособленность к экстремальным условиям и совместимость с передовыми технологиями изготовления обеспечивают его непреходящую актуальность в аэрокосмической отрасли, квантовой связи и устойчивых энергетических системах. Соединяя фундаментальную науку и промышленные инновации, YAG служит примером того, как материаловедение может стать движущей силой трансформационных достижений, формируя будущее, в котором высокоэффективные материалы станут основой глобального технологического суверенитета.

Компания Stanford Advanced Materials (SAM) специализируется на предоставлении высококачественных YAG и других передовых функциональных материалов для поддержки инноваций в различных отраслях промышленности. Предлагая надежные материальные решения, мы помогаем нашим клиентам раскрыть весь потенциал этих замечательных материалов и стимулировать прогресс в самых разных областях - от оптики и электроники до аэрокосмической и энергетической.

Связанное чтение:

Тематическое исследование: Как легированный иттербием иттриево-алюминиевый гранат формирует инновации в оптике

Введение в 7 типов синтетических гранатовых материалов

Кристаллы граната GGG vs. GGAG vs. TGG: Сравнительный анализ

Инновации в оптике: Роль булей граната GGG, SGGG и NGG