Теплопроводность лазерных кристаллов со структурой граната в интервале температур 6-300 К Попов, Павел Аркадьевич

Введение к работе

Актуальность разрабатываемой теш в значительной мере связана и особенностями исследуемых объектов. Кристаллы со структурой грана-, нашли широкое применение в различных отраслях техники. Изоморфная кость структура, с одной стороны, и необходимость получения широте спектров генерационных характеристик, с другой, делают гранаты ісьма перспективными в качества материалов активных лазерных эле-итов. Инженерные расчеты устройств квантовой электроники требуют (ания комплексов физических параметров материалов, особое место 3еди которых занимает теплопроводность х,« От нее в значительной зрз зависит распределение температгры по сечению активного элемен-1 и соответственно форла наведенной тепловой' линзы определяющая

Теория не позволяет с уверенностью прогнозировать величину теп-эпроводностк столь сложных по структуре и составу кристаллов, как ранаты. Состав большинства выращиваемых гранатов отличается от техиоиетркческого и существенным образом зависит от конкретной методики выращивания. Кроме того, лазерные кристаллы характеризуюся аличием активаторов делающих прогнозы еще более затруднительнши. дtwroft же стороны получение высоких генерационных параметров т\еьґ\\гр>** вироипрл т?яироттчя ттт}И(*т?иглоі5 в том числе высокой степени днородности состава низкого содержания неконтролитзусмых д^о^ектоз

- 4 -Изучение температурной зависимости теплопроводности кристаллов высокого качества позволяет выделить различные механизмы фононного расс« яния и удовлетворительно интерпретировать экспериыентальные результаты. Широкая область температур исследования - от гелиевых до комнатных - существенно' повыпает информативность получаемых данных и способствует уточнению и расширению представлений о процессах фононного рассеяния в диэлектрических кристаллах.

Цель работы. Целью настоящей работы явилось систематическое экспериментальное исследование температурной зависимости теплопроводности лазеркых кристаллов со.структурой граната в области температур от гелиевых до комнатных и выяснение важнейших факторов, определяют-щкх теплопроводность указанных диэлектрических кристаллов. Достижение поставленной цели потребовало решения оледующих задач.

1. Конструирование, и изготовление установки для измерения теплопроЕодаости в области температур б-300 К. Разработка методики измерений.

2. Проведение систематических измерений температурных зависимостей теплопроводаости кристаллов со структурой граната, в том числе твердых растворов.

3. Исследование температурных зависимостей параметра кристаллической решетки, коэффициентов упругости, теплоемкости изучаемых объектов.

4. Оценка к анализ эксперименталькых результатов.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Температурные зависимости теплопроводности большинства составов, исследованных в настоящей работе, измерены впервые.

2. Скстеаатически исследовано влияние на теплопроводность гранатов дегавущих добавок ионов-активаторов и условий роста и аксплуатацин кристаллов. Установлен вЗДзх? увеличенья высокотемператур10й теплокроЕодностк гранатов веледстако допояаителького слабого легирования.

3. На основе ояепершаятвлышх данное по тейяощхаолноота, егеп-

-5 -тоеакости, упругих модулей и параметра кристаллической решетки рас-;читаны темпврату1ныв зависимости температуропроводаости, средних щт и времен свободного пробега фононов для ряда кристаллов. Пред-гапена феноменологическая зависимость для высокотемпературной теплогроводности гранатов. Исследованы некоторые возмояности соотношения [аллуэя.

4. Установлено наличие температурной аномалии относительного из-юнения теплового сопротивления гранатов как следствия изоморфного :атионного замещения.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные результаты [айдут широкое применение при разработке, конструировании и эксплу-1тации устройств квантовой электроники. Широкий охват и систематич-юсть объектов исследования позволяют в значительной мере повысить [рогнозируемость величины теплопроводности новых лазерных материалов ю структурой граната, способствуют совершенствованию теории теп-юпроводности диэлектрических монокристаллов.

Результаты экспериментального определения теплопроводности грана-'ов используются для оптимизации поисков материалов с необходимым :омплексом физических параметров в ИОФРАК-, г.Носква; ЭЖА, г.Зелено-"рад; НИИМЭТ, г.Калуга.

Основные полояения. выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментального определения температурных зави-
;имостей теплопроводности в интервале 6-300 К:

галлиевых гранатов HIT, ПТ, TIT, КНГГ, КПТ;

кристаллов ПТ и ИАГ с различныли составами легирующих добавок;

редкоземельных скандиевых гранатов ИСАГ, ГСАГ, ТСАГ, ЙСГГ, ТСГТ, ЕСГГ;

кристаллов ИСГГ и ГСАГ, легированных РЗ и переходными металлами;

твердых растворов ИСГТ^хГСАГ^Ш.Сг и ГСП^.хГСАГуЯсІ.Сг.

2. Результаты расчета, проведенного на основе экспериментальных
*анных, температурных зависимостей температуропроводности, средних

* 6 «

длин и времен свободного пробега фоноаов в кристаллах ШIT, ГГТ, ПТ, МАГ, КНГГ, КПТ, ИГГГ, ГСГГ, ГГГ:ВД, ПТіШ,Се,Сг, ПШЩТ в интервале температур 6-300 К.

3. Проявление в температурной зависимости теплопроводности некоторых гранатов факторов, связанных с особенностями условий роста и эксплуатации кристаллов (инверсия фронта роста, У-облучение, наличие катионных и анионных вакансий и дислокаций). Анизотропия теплопроводности ПТ.

4. Рассмотрение влияния различных ыеханизмов фононного рассеянил в гранатах. Аномалия температурной зависимости относительного изменения теплового сопротивления граната вследствие изменен/я катион-ного состава,

5. Феноменологическая зависимость высокотемпературной теплопроводности гранатов от параметра кристаллической решетки и молекулярной массы. Результаты рассмотрения возможностей соотношения Каллуеі для аппроксимации експериментальных данных по температурной завись мости теплопроводности гранатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинаре "Химическая связь и физика конденсированных сред" (научны руководитель - акад. АН БССР, проф. Сирота Н.Н.>, на семинарах Отдела лазерных кристаллов ЖЩН, на УП Воес. коорд, совещании по ма тершллведеюю п/п соединений (г.Ворнеж, 1987), на П Сов.-Индийском Симпозиуме по росту и характеризации лазерных и нелинейных крлсталлов (г.Москва, 1991). По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, таї глав, заклачения, списка лктературы и приложенкя. Общий объеи диссертации составляет 214 страниц ыашинописного текста, включая спи-сок зхепользованкой литература из 162 наименоватій, 50 рисунков и 42 таблицы,