Особенности травления лазерного кристалла LiYF4 в растворах HCl

ОСОБЕННОСТИ ТРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО КРИСТАЛЛА LiYF4 В РАСТВОРАХ HCl

А.И. Игнатьев, Е.В. Цыганкова Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Н.В. Никоноров

Исследованы кинетики травления лазерного кристалла LiYF4 в растворах HCl при различных концентрациях и температурах. Определены скорости травления кристалла по трем кристаллографическим направлениям. Полученные данные позволяют оптимизировать технологический процесс травления для улучшения механических и термических характеристик лазерного кристалла.

Введение

На сегодняшний день широкое распространение получили мощные твердотельные лазеры. Создание лазеров с большой выходной мощностью излучения требует разработки лазерных материалов с высокой термической прочностью. Однако многие лазерные материалы, 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 [1]. 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 кристалла YLF:Nd в зависимости от концентрации травителя и температуры травления. Использование кристаллов YLF:Nd представляет собой актуальное направление при создании мощных лазеров.

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. Образцы кристаллов прошли обычную шлифовку и полировку. Кристалл LiYF4 имеет структуру шеелита, пространственная группа C 4h (тетрагональной сингонии, индикатриса показателя преломления ni^n2=n3 - одноосный положительный эллипсоид) и имеет одну оптическую ось (на схемах -направление с), а два других направления являются направлениями погасания света при повороте кристалла на 90° при введенных поляризаторах (направления условно обозначены a и b). Линейные размеры образцов по направлениям а, с 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 HCl с концентрациями 1N, 2N, 3N, 4N и 6N. Для уменьшения изменения

концентрации растворов стаканы с растворами кислот прикрывались фарфоровыми чашками с холодной водой.

Кинетика травления исследовалась для следующих температур: Ti=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 с регулятором скорости вращения магнитной мешалки и температуры, значение которой постоянно контролировалось ртутным термометром, помещенным в раствор. Магнитная мешалка в защитной оболочке опускалась в раствор и находилась в нем в течение всего эксперимента, что позволяло держать заданную температуру и постоянство гидродинамических условий.

Анализ результатов химического 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 A, B, 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.

Экспериментальные результаты

Были проведены следующие исследования: определены зависимости толщины стравленного слоя кристалла по трем направлениям а, Ь и с, а также суммарная убыль веса образца от времени травления в растворах соляной кислоты для пяти концентраций растворов Ш, 2К, 3К, 4Ц, 6К. Для концентрации 4К эксперименты проводились при трех температурах растворов 250С, 50оС и 70°С. По полученным графикам зависимостей в линейном приближении были вычислены скорости процесса.

ггическая ось

Вид сверху по оси a

Дотравления После травления

>а

I

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

На рис. 1 изображено изменение геометрии образца после травления: квадратное поперечное сечение образца преобразовывается в прямоугольное сечение. Данный эффект следует учесть при травлении активированных лазерных кристаллов, имеющих

цилиндрическую форму. В этом случае круглое сечение цилиндрического стержня будет преобразовано в эллиптический профиль.

Результаты травления в растворе соляной кислоты показаны на рис. 2-5.

л

«

о

о и

12 * го о (D В5

О X X

<D

п т

S я

Л

св X

3

4 о

н

" —A, мм - —•—B, мм ——C, мм

Время ^ мин

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

Обратная температура 1/Т

2,8Е-03 2,9Е-03 3,0Е-03 3,1Е-03 3,2Е-03 3,3Е-03 3,4Е-03 -7

HCl 4N

Рис. 3. Зависимость логарифма скорости травления от обратной температуры по направлениям a, b и c для концентрации HCl 4N

В качестве примера на рис. 2 приведена зависимость толщины стравленного слоя в 4N HCl при Т=70°С. Толщина стравленного слоя по направлению b больше, чем по другим направлениям. Аналогичные результаты наблюдаются и при остальных температурах и концентрациях.

о

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Из рис. 3 видно, что зависимости, соответствующие различным направлениям кристалла а, Ь, и с, могут быть аппроксимированы линейной функцией. Это свидетельствует о том, что процесс травления протекает, удовлетворяя уравнению Аррениуса к = А ехр(-Еа/ЯТ),

где к - константа скорости химической реакции, А - предэкспоненциальный множитель, Еа - энергия активации реакции, А, Еа - постоянные для данной реакции величины, Я -газовая постоянная. График зависимости 1п к от 1/Т (аррениусов график) - прямая линия, отрицательный наклон которой определяется энергией активации Ел и характеризует положительную температурную зависимость к. При этом углы наклона у всех прямых примерно одинаковы, следовательно, энергия активации реакции травления кристалла по всем направлениям близки. Таким образом, зависимость скорости травления в растворах соляной кислоты от концентрации носит немонотонный характер (рис. 4). Явно видны две области: при концентрации 2К и менее значения скорости близки друг к другу; при концентрации 3К и более имеет место монотонное возрастание.

х

к S

о

X <и

ч ю

eö &

н л н о

о &

о и

о

3,0 2,8 2,6 2,4 2, 2,0 1, 1,6 1,4 1, 1,0

0,6 0,4

2 3 4 5

Концентрация, N

0

1

6

Рис. 4. Зависимость скорости травления по направлениям а, b, и сот концентрации

HCl при T=70°C

На рис. 5 представлены микрофотографии поверхности кристалла по различным направлениям, сделанным после травления, в зависимости от концентрации при одинаковой температуре и глубине травления по b (около 50 мкм). Видно, что характер картины травления при концентрации 1N резко отличается от таковой при более высоких концентрациях, что свидетельствует о различных механизмах травления.

Заключение

Исследованы кинетики травления лазерного кристалла LiYF4 в растворах HCl при различных концентрациях и температурах. Определены скорости травления кристалла по трем кристаллографическим направлениям. Полученные данные позволяют оптимизировать технологический процесс травления для улучшения механических и термических характеристик лазерного кристалла.

направление b направление с осью c

6N, 240 мин

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

Литература

1. Витман Ф.Ф., БерштейнВ.А., ПухВ.П. Прочность стекла. М.: Мир, 1969. С. 7-30.