Γρανάτης αργιλίου-υττρίου

Ο Γρανάτης Αργιλίου-Υττρίου (ΓΑΥ, αγγλικά Yttrium Aluminium Garnet, YAG) είναι συνθετικό κρυσταλλικό υλικό τύπου γρανάτη, με εμπειρικό τύπο επαναλαμβανόμενου συγκροτήματος Y3Al3O12. Είναι, ακόμη, μια από τις τρεις φάσεις συνθέτου αργιλίου-υττρίου. Οι άλλες δύο (2) είναι το μονοκλινές αργιλίου-υττρίου (YAM, Y4Al2O9) και ο περοβσκίτης αργιλίου-υττρίου (YAP, YAlO3).

Ο γρανάτης αργιλίου-υττρίου, όπως ο γρανάτης και το ζαφείρι, δεν έχει χρήσεις ως μέσο λέιζερ, όταν είναι χημικά καθαρό. Ωστόσο, αφού χημειοδιεγερθεί με το κατάλληλο ιόν, ο γρανάτης αργιλίου-υττρίου χρησιμοποιείται συχνά ως υλικό υποδοχής για διάφορα λέιζερ στερεάς κατάστασης. Χημικά στοιχεία σπανίων γαιών, όπως το νεοδύμιο και το έρβιο μπορούν να χημειοδιεγείρουν το γρανάτη αργιλίου-υττρίου ως ενεργά ιόντα λέιζερ, δίνοντας (αντιστοίχως) τα λέιζερ Nd: ΓΑΥ και Er: ΓΑΥ. Ο χημειοδιέγεργμένος με δημήτριο γρανάτης αργιλίου-υττρίου (Ce: ΓΑΥ) χρησιμοποιείται ως φωσφοριστής στην κάθοδο ακτινοβόλων σωλήνων και ως δίοδος εκπομπής λευκού φωτός. Χρησιμοποιείται, ακόμη, ως σπινθηριστής.

Εφαρμογές

Κοσμηματοποιία 
Ο γρανάτης αργιλίου-υττρίου για μια χρονική περίοδο χρησιμοποιήθηκε από την κοσμηματοποιία ως (συνθετικός) πολύτιμος λίθος. Παράγονταν έγχρωμες ποικιλίες χημειοδιεγείροντας το γρανάτης αργιλίου-υττρίου με διάφορα χημικά στοιχεία που συμπεριλάμβαναν τα ακόλουθα: πράσινο (χρώμιο), μπλε (κοβάλτιο), κόκκινο (μαγγάνιο), κίτρινο (τιτάνιο), πορφυρό (νεοδύμιο), ροζ και πορτοκαλί. Ως πολύεδρα πετράδια οι έγχρωμοι γρανάτες αργιλίου-υττρίου εκτιμούνταν (έστω και αν ήταν συνθετικοί) για την διαύγεια, την αντοχή, τον (σχετικά) υψηλό δείκτη διάθλασης και το διασκεδασμό τους. Η ολική ανάκλαση του γρανάτη αργιλίου-υττρίου είναι 33°. O γρανάτης αργιλίου-υττρίου κόβεται σαν το φυσικό γρανάτη, με το στίλβωμα να γίνεται με αλουμίνα ή διαμάντι (50.000 ή 100.000 χαλίκια) σε συνηθισμένους γύρους στίλβωσης. Ο γρανάτης αργιλίου-υττρίου έχει χαμηλή ευαισθησία στη θέρμανση.

Ως συνθετικός πολύτιμος λίθος, ο γρανάτης αργιλίου-υττρίου έχει πολλές ποικιλίες και εμπορικά ονόματα, όπως και έναν αριθμό ψευδονύμων. Οι συνώνυμες ονομασίες συμπεριλαμβάνουν τις ακόλουθες: αλεξίτης, αμαμίτης, σιρκολίτης, ντιαμπάντ, διαμοτζέμ, διαμαίρ, διαμόνιο, διαμονίκιο, διγιάγκ, τζεμιναίρ, τζεμοναίρ, κίμπερλυ, απομίμηση διαμαντιού Λίντε, ρεγκαλαίρ, ρεπλικέ, σόμερσετ, τριαμάντι, YAIG και γρανάτης υττρίου. Η παραγωγή του για εμπόριο ως συνθετικός πολύτιμος λίθος μειώθηκε μετά την εφεύρεση της συνθετικής κυβικής ζιρκονίας. Ως το 1995 είχε λίγη παραγωγή. Κάποια ζήτηση ακόμη υπάρχει ως συνθετικός γρανάτης, και για δημιουργίες στις οποίες ο πολύ υψηλός δείκτης διάθλασης της κυβικής ζιρκονίας είναι ανεπιθύμητος.

Ποικιλίες τεχνικών εφαρμογών

Γρανάτης αργιλίου-υττρίου χημειοδιεγερμένου με νεοδύμιο 
Ο γρανάτης αργιλίου-υττρίου χημειοδιεγερμένος με νεοδύμιο (Nd:YAG) αναπτύχθηκε στα πρώτα έτη της δεκαετίας του 1960. Το πρώτο λειτουργικό λέιζερ Nd:YAG εφευρέθηκε το 1964. Ο Nd:YAG είναι το ενεργό μέσο λέιζερ που χρησιμοποιήθηκε ευρύτερα από όλα τα στερεάς κατάστασης λέιζερ. Χρησιμοποιήθηκε για όλες τις εφαρμογές τέτοιου λέιζερ από χαμηλής ισχύος συνεχούς ρεύματος λέιζερ ως τα υψηλής ισχύος λέιζερ μετατροπής Q, με εύρος ισχύος που μετριέται σε κιλοβάτ (kW). Η θερμική αγωγιμότητα του Nd:YAG  είναι υψηλότερη και ο χρόνος ζωής φθορισμού είναι περίπου διπλάσιος σε σύγκριση με τους κρυστάλλους Nd:YVO4, αλλά δεν είναι το ίδιο αποτελεσματικός, ενώ έχει μικρότερη σταθερότητα, και επιπλέον απαιτεί θερμοκρασίες που ελέγχονται με περισσότερη ακρίβεια (πάντα σε σύγκριση με τους κρυστάλλους  Nd:YVO4).  Η καλύτερη ζώνη απορρόφησης Nd:YAG είναι επικεντρωμένη στα 807,5 nm και έχει εύρος 1 nm.

Η συγκέντρωση του χημειοδιεγέρτη που συνήθως χρησιμοποιείται στους κρυστάλλους Nd:YAG συνήθως κυμαίνεται μεταξύ μοριακής αναλογίας 5‰ και 14‰. Υψηλότερη συγκέντρωση του χημειοδιεγέρτη χρησιμοποιείται στα παλμικά λέιζερ. Η χαμηλότερη συγκέντρωση χημειοδιεγέρτη χρησιμοποιείται στα λέιζερ συνεχόμενου κύματος. Το Nd:YAG είναι ροζέ-πορφυρό, με τις ελαφρύτερα χημειοδιεγερμένες ράβδους να είναι λιγότερα έντονα έγχρωμες σε σύγκριση με της βαρύτερα χημειοδιεγερμένες. Εφόσον το φάσμα απορρόφησης είναι στενό, η απόχρωση εξαρτάται από το φως υπό το οποίο παρατηρείται.

Γρανάτης αργιλίου-υττρίου χημειοδιεγερμένου με νεοδύμιο και χρώμιο 
Ο γρανάτης αργιλίου-υττρίου χημειοδιεγερμένος με νεοδύμιο και χρώμιο (Nd:Cr:YAG ή Nd/Cr:YAG) έχει χαρακτηριστικά απορρόφησης που υπερέχουν σε σύγκριση με τα αντίστοιχα του Nd:YAG. Αυτό συμβαίνει επειδή η ενέργεια απορροφάται από τις (σχετικά) φαρδιές ζώνες απορρόφησης των κατιόντων Cr3+ του χημειοδιεγέρτη και μετά μεταφέρται στα κατιόντα Nd3+ με αλληλεπιδράσης διπόλου-διπόλου. Αυτό το υλικό προτάθηκε για χρήση σε ηλιακά παλμικά λέιζερ, που θα μπορούσαν να αποτελούν τμήμα ενός δορυφορικού συστήματος ηλιακής ενέργειας.

Παρατηρήσεις, υποσημειώσεις και αναφορές 

Οξείδια
Οπτικά υλικά
Στοιχεία μετάπτωσης
Αργίλιο
Κρύσταλλοι