Особенности травления лазерного кристалла LiYF4 в растворах H2SO4

ОСОБЕННОСТИ ТРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО КРИСТАЛЛА LiYF4

В РАСТВОРАХ H2SO4 Е.В. Цыганкова, А.И. Игнатьев, Н.В. Никоноров

Исследованы кинетики травления лазерного кристалла LiYF4 в растворах H2SO4 при различных концентрациях и температурах. Определены скорости травления кристалла по трем кристаллографическим направлениям. Проведена оптимизация технологического процесса травления для улучшения механических и термических характеристик лазерного кристалла.

Введение

На сегодняшний день широкое распространение получили мощные твердотельные лазеры на основе фторидных кристаллов [1-3]. Создание лазеров с большой выходной мощностью излучения требует разработки лазерных материалов с высокой термической прочностью. Однако многие лазерные фторидные кристаллы, обладающие хорошими спектрально-люминесцентными и генерационными характеристиками, имеют низкую термическую и механическую прочность. Поэтому в настоящее время актуальной становится задача повышения термической прочности таких материалов. Одним из эффективных способов увеличения механической и термической прочности кристаллов и стекол является метод химического травления поверхности [4]. Сущность метода сводится к уменьшению количества и глубины поверхностных (слой конечной толщины) микротрещин, что приводит к уменьшению локальных напряжений в поверхностном слое образца. Толщина стравленного слоя регулируется выбором травильного агента, временем и температурой процесса травления.

В настоящей работе произведено исследование кинетики травления и изменения состояния поверхности лазерного фторидного кристалла LiYF4, активированного неодимом, в зависимости от концентрации травильного раствора H2SO4 и температуры травления с целью повышения термической прочности кристалла и увеличения его выходной мощности излучения.

Образцы и методика эксперимента

Для проведения эксперимента использовался монокристалл LiYF4, выращенный методом Бриджмана-Стокбаргера в НИТИОМ ГОИ им. Вавилова. Все образцы вырезались из були монокристалла в форме параллелепипедов в соответствии с кристаллографическими направлениями кристалла LiYF4. Этот кристалл имеет структуру шеелита, пространственная группа C64h (тетрагональной сингонии, индикатриса показателя преломления п\Фп2=п3 одноосный положительный эллипсоид) и имеет одну оптическую ось. Направлению а соответствует направление (100), направлению b - (010), с -направление оптической оси (001). Образцы кристаллов прошли обычную шлифовку и полировку. Линейные размеры образцов по направлениям a, c и b, соответственно, составляли 9 мм, 5 мм и 6 мм. Геометрические размеры каждого образца измеряли до и после химического травления микрометром (инструментальная погрешность измерения ± 0.01 мм). Измерение веса проводилось на аналитических весах Ohaus (точность взвешивания ± 0,0001 г).

Процесс химического травления образцов лазерного кристалла LiYF4 проводился в растворах H2SO4 с концентрациями 2N, 4N и 8N. Кинетика травления исследовалась для следующих температур: T1=70°C, T2=50°C и T3=(20-25)°C (комнатная температура). Температуры T1 и T2 травильных растворов поддерживались при помощи подогрева на магнитных мешалках Corning. Значение температуры постоянно контролировалось ртутным термометром, помещенным в раствор. Для поддержания заданной температу-

ры и постоянства гидродинамических условий в раствор опускалась и находилась в нем в течение всего эксперимента магнитная мешалка в защитной оболочке. Для уменьшения изменения концентрации растворов стаканы с растворами кислот прикрывались фарфоровыми чашками с холодной водой.

Анализ результатов травления поверхности образцов лазерного кристалла LiYF4 осуществлялся при помощи поляризационного микроскопа Leica DM, оснащенного цифровой CCD камерой, подключенной к компьютеру, с использованием программного обеспечения микроскопа LeicaQWin. Поверхности, соответствующие направлениям a, b и c, для каждого образца фотографировались при увеличении 10х и 40х как перед химическим травлением, так и в процессе эксперимента для последующего анализа изменения состояния поверхности.

В работе были проведены следующие исследования: определены зависимости толщины стравленного слоя кристалла по трем направлениям a, b и c, а также суммарная убыль веса образца от времени травления в растворах серной кислоты для трех концентраций растворов 2N, 4N и 8N. Для концентрации 4N эксперименты проводились при трех температурах растворов 25оС, 50оС и 70оС. По полученным графикам зависимостей в линейном приближении были вычислены скорости процесса.

Экспериментальные результаты

На рис. 1 изображено изменение геометрии образца после травления. Квадратное поперечное сечение образца преобразовывается в прямоугольное сечение, т.е. наблюдается резкое отличие в скоростях травления по направлениям Ь и с, причем скорость травления по направлению Ь (¥ь) много больше, чем по направлению с (Рс). Данный эффект следует учесть при травлении активированных лазерных кристаллов, имеющих цилиндрическую форму. В этом случае круглое сечение цилиндрического стержня будет преобразовано в эллиптический профиль.

LiYF4

птическая ось

Вид сверху по оси а До травления После травления

• а

Т

Рис. 1. Изменение геометрии образца после травления. Схема демонстрирует различие в скоростях травления по направлениям Ь и с

В качестве примера кинетических кривых на рис. 2 приведена зависимость толщины стравленного слоя в 4К Н2Б04 при Т=70оС. Толщина стравленного слоя по направлению Ь больше, чем по другим направлениям. Аналогичные результаты наблюдаются и при остальных температурах и концентрациях.

л

к о

ч

и

о и о X X ш

ч

и «

л

н

и «

X

а

ч

о Н

0,5

0,4

0,3

2 0,2

>4 Ю

0,1

0

Р а Ъ с

500 1000 1500 2000 Время 1, мин

2500 3000

Рис. 2. Зависимость толщины стравленного слоя и убыли веса Р по направлениям а, Ь и с от времени обработки при Т=70°С, концентрации 4Ы

0

Рис. 3. Зависимость логарифма скорости травления от обратной температуры по направлениям а,Ь и с для концентрации Н2804 4Ы

о о о о

к

К

ш я

М <

а 5

Н «

>4

Ё о л о X

и

1,6

1,2

0,8

0,4

0

УЪ Уе Уа

0

4 6

Концентрация, N

10

Рис. 4. Зависимость скорости травления по направлениям а, Ь, и с от концентрации И2804 при Т=70°С

На рис. 3 представлены зависимости логарифма скорости травления по различным направлениям кристалла а, Ь, и с от обратной температуры. Эти зависимости можно аппроксимировать линейной функцией. Это позволяет говорить, что температурную зависимость константы скорости процесса травления формально можно описывать известным из химической кинетики уравнением Аррениуса к = А ехр( - Еа/ЯТ),

где к - константа скорости процесса, А - предэкспоненциальный множитель, Еа - энергия активации реакции, Я - газовая постоянная.

График зависимости 1пУ от 1/Т - прямая линия, отрицательный наклон которой определяется энергией активации Еа и характеризует положительную температурную зависимость скорости. При этом углы наклона прямых, характеризующих направления а и Ь, примерно одинаковы, следовательно, энергии активации реакции по этим направлениям близки. Угол наклона прямой, соответствующей направлению оптической оси с, больше угла наклона остальных двух прямых, т.е. энергия активации по этому направлению больше.

Таким образом, зависимость скорости травления в растворах серной кислоты от концентрации носит немонотонный характер (рис. 4). При изменении концентрации от 2N до 4N скорость травления по всем направлениям возрастает. Дальнейшее увеличение концентрации практически не изменяет скорость процесса.

На рис. 5. представлены микрофотографии поверхности кристалла по направлениям Ь и с, сделанным после травления в зависимости от концентрации при одинаковой температуре и одинаковой глубине (50 мкм) стравленного слоя по направлению Ь. Видно существенное отличие в картинах травления по направлениям Ь и с. Следует также отметить, что е увеличением концентрации происходит укрупнение микрорельефа по направлению Ь, при этом характер травления не изменяется. При этом по направлению с укрупнение микрорельефа с увеличением концентрации не наблюдается.

направление В направление С

8N

Рис. 5. Травление поверхности кристалла по направлениям b и c в растворах H2SO4 при толщине стравленного слоя (50 мкм по направлению b). Концентрации кислоты (в грамм-эквивалентах на литр) указаны под изображениями. Увеличение 40 крат

Заключение

Исследованы кинетики травления лазерного кристалла LiYF4 в растворах H2SO4 при различных концентрациях и температурах. Определены скорости травления кристалла по трем кристаллографическим направлениям a, b и c. Обнаружено, что скорость травления по направлению оптической оси c меньше в 7 раз по сравнению с другими направлениями a и b. Различная скорость травления по разным направлениям приводит к искажению формы исходного лазерного кристалла. Этот эффект необходимо учитывать при обработке поверхности кристалла LiYF4 в растворах серной кислоты. Полученные данные позволят оптимизировать технологический процесс травления для улучшения механических и термических характеристик лазерного кристалла.

Литература

1. R. C. Stoneman, J. G. Lynn, and L. Esterowitz. Direct upper-state pumping of the 2.8 цш Er3+:YLF laser. // IEEE J. of Quant. El. 1992. V. 28. Р. 1041-1045.

2. T. Jensen, A. Diening, G. Huber, and B. H. T. Chai. Investigation of diode-pumped 2.8-цш Er:LiYF4 lasers with various doping levels. // Opt. Lett. 1996. V. 21. Р. 585-587.

3. A. Dergachev, P.F. Moulton. High-power, high-energy diode-pumped Tm: YLF-Ho:YLF-ZGP laser system. // OSA Trends in Optic and Photonics. 2003. V. 83. Advanced Solidstate Photonics. Р. 137-141.

4. Витман Ф.Ф., Берштейн В.А., Пух В.П. Прочность стекла. М.: Мир, 1969. С.7-30.