Direct mass spectrometric determination of high ionisation energy elements in non-linear optical materials based on KTiOPO₄

Abstract

Развитие современной лазерной индустрии требует новых более эффективных способов контроля качества и стехиометрии нелинейно оптических материалов. В данной работе предложен аналитический подход к проведению прямого элементного анализа нелинейно-оптических кристаллов титанил фосфата калия (КТР) методом времяпролетной масс-спектрометрии с импульсным тлеющим разрядом. Данные кристаллы находят широкое применение в качестве электро-оптических затворов и удвоителей частоты излучения непрерывных и импульсных лазеров. Рассмотрены подходы к эффективному распылению и ионизации кристаллов КТР, чистых и легированных фторидом калия, а также рассмотрены механизмы эффективной ионизации таких элементов, как фтор и кислород, определение которых в твердотельных образцах является нетривиальной задачей. Рассмотрено использование различных разрядных газов и обсуждена целесообразность их использования. Найдены оптимальные параметры одновременного определения кислорода и фтора вместе с остальными элементами матрицы кристаллов КТР в плазме аргона и неона. Показана эффективность использования неоновой плазмы для прямого высокочувствительного определения трудноионизуемых элементов в диэлектрических материалах. Проведен количественный элементный анализ кристаллов КТР. Валидацию предложенного подхода проводили с использованием независимых методов анализа, а также с помощью анализа стандартного образца. Разработанный аналитический подход был апробирован на примере исследования влияния неоднородностей состава в кристаллах КТР на их электрохимические и оптические характеристики.

Further development in laser industry requires more effective methods to control the quality of nonlinear optical materials in respect of chemical purity and stoichiometric composition. In this study, an analytical approach for direct elemental analysis of potassium titanyl phosphate crystals (KTP) by time-of-flight mass spectrometry with a pulsed glow discharge was developed. These crystals are widely used as electro-optical shutters and frequency doublers in pulsed and continuous Nd:YAG lasers. The approaches in respect of efficient sputtering and ionization of KTP crystals, pure and doped with potassium fluoride, were examined, and the mechanisms of effective ionization for such elements as fluorine and oxygen, which determination in solid-state samples is a non-trivial task, were also considered. The use of various discharge gases were investigated and the feasibility of their use were discussed. The optimal parameters for the simultaneous determination of oxygen and fluorine with other matrix elements of KTP crystals in the plasma of argon and neon were found. The efficiency of using neon plasma for direct highly sensitive determination of elements with high ionization energy in dielectric materials were shown. A quantitative elemental analysis of KTP crystals was carried out. Validation of the proposed approach was carried out using independent analysis methods, as well as analyzing the standard reference material. The developed analytical approach was successfully applied for studying the influence of compositional inhomogeneities in KTP crystals on their electrochemical and optical characteristics.