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      摻鈦藍(lán)寶石激光晶體的生長方法

      文檔序號:8150534閱讀:1432來源:國知局
      專利名稱:摻鈦藍(lán)寶石激光晶體的生長方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種摻鈦藍(lán)寶石(TiAl2O3)激光晶體的生長方法,特別是采用與光軸成布儒斯特角(Brewster)的方向,作為生長籽晶方向,采用溫梯法(Temperature GradientTechnique,TGT)生長摻鈦藍(lán)寶石激光晶體。特別適用于(Czochralski,CZ)等生長高摻雜的摻鈦藍(lán)寶石晶體。
      早在1985年美國科學(xué)家P.Lacovara,L.Esterowitz和M.Kokta,用提拉法生長TiAl2O3晶體(參見IEEE J.Quantum Electron.第QE-21期,1985年第1614頁)。1987年美國晶體系統(tǒng)公司C.P.Khattak用熱交換法生長TiAl2O3晶體(參見Proc.SPIE,第831卷,1987年第831頁)。1988年美國林肯實(shí)驗(yàn)室A.Sanchez,A.J.Strauss,R.L.Aggarwal和R.E.Fahey用垂直溫梯法生長TiAl2O3晶體(參見IEEE J.Quantum Electron.第6期,第24卷,1988年第995頁)。1992年中國科學(xué)家周永宗、鄧佩珍等用溫梯法生長TiAl2O3晶體(參見Proc.SPIE,第1627卷,1992年)。
      上述TiAl2O3晶體,均采用//c軸(0001)或⊥c軸方向等作為籽晶方向生長,這種方向生長的晶體,由于鈦(Ti)在鈦寶石晶體中的分凝系數(shù)為0.15,沿晶體生長方向存在嚴(yán)重的濃度梯度——濃度不均勻,而且鈦寶石晶體是單光軸晶體,晶體激光具有偏振特性,即通光方向必須垂直于c軸,電矢量E//c軸,因此,由以上方向生長的晶體加工的激光棒必然造成激光通光光斑面積內(nèi)濃度不均勻,特別對高摻雜晶體更嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了激光輸出模式和激光性能。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述已有技術(shù)生長的TiAl2O3晶體激光通光光斑面積內(nèi)摻鈦(Ti)濃度不均勻性的難題,提供一種摻鈦藍(lán)寶石(TiAl2O3)激光晶體的新的生長方法。
      本發(fā)明的技術(shù)解決方案是采用溫梯法進(jìn)行生長,TiAl2O3晶體生長工藝流程如下&lt;1&gt;首先在溫梯爐坩堝的籽晶槽內(nèi)放入定向籽晶,籽晶方向與c軸 成布儒斯特角,即α=60.4°;&lt;2&gt;按一定配比的高純TiO2和Al2O3,粉料在混料機(jī)中機(jī)械混合;&lt;3&gt;用壓料機(jī)壓塊成形,在真空或還原氣氛中燒結(jié)后,裝入坩堝中,置于溫梯爐中;&lt;4&gt;邊抽真空邊升溫至600℃,充入高純氬;&lt;5&gt;持續(xù)升溫至熔體溫度約2050℃左右,恒溫1~3小時(shí),以5-10℃/小時(shí)速率降溫,直至晶體生長完畢,緩慢降溫至室溫后,打開爐罩,取出晶體。
      采用其他方法生長時(shí),關(guān)鍵是仔晶的方向要與光軸成布儒斯特角,即α=60.4°。
      與在先技術(shù)相比,本發(fā)明選用一種特殊的方向作為晶體籽晶方向,即與光軸(c軸 方向)成布儒斯特角(Brewster),即α=60.4°的方向,作為生長籽晶方向,從生長出的晶體中按布儒斯特角定向切割、加工成激光棒,克服了激光通光光斑面積內(nèi)摻鈦(Ti)濃度不均勻性的難題,激光輸出模式和激光性能明顯高于已有方法生長的晶體,從而可以滿足激光器件制造的市場需求。


      圖1是鈦寶石激光棒與晶體籽晶方向、光軸方向三者關(guān)系示意2是坩堝和坩堝中鈦寶石晶體激光棒切型剖視圖
      具體實(shí)施例方式本發(fā)明在TiAl2O3晶體生長中,使用如圖1和圖2所示的方向作為晶體籽晶方向,生長晶體??紤]到TiAl2O3晶體在激光輸出中心波長800nm處的折射率n=1.76,其中α=γ=tg-1n=60.4°α+β=90°β+γ90°則籽晶方向(生長方向)與光軸(c軸 方向)成布儒斯特角,即α=60.4°。
      本發(fā)明選用的溫梯法(TGT)TiAl2O3晶體,是從熔體的底部結(jié)晶,固液界面自下而上移動生長晶體的一種方法。所用的溫梯爐是鐘罩式真空電阻爐。溫梯爐內(nèi)生長晶體的坩堝是底部帶有籽晶槽的錐形坩堝,見圖2。它的示意結(jié)構(gòu)主要包括籽晶槽1,坩堝壁2,熔體3和TiAl2O3晶體激光切型4。
      本發(fā)明的TiAl2O3晶體生長工藝流程如下&lt;1&gt;首先在溫梯爐坩堝的籽晶槽1內(nèi)放入定向籽晶,籽晶方向與c軸 成布儒斯特角,即α=60.4°。
      &lt;2&gt;按一定配比的高純TiO2和Al2O3粉料在混料機(jī)中機(jī)械混合。
      &lt;3&gt;用壓料機(jī)壓塊成形,在真空或還原氣氛中燒結(jié)后,裝入坩堝中,置于溫梯爐中。
      &lt;4&gt;邊抽真空邊升溫至600℃,充入高純氬(Ar)。
      &lt;5&gt;持續(xù)升溫至熔體溫度約2050℃左右,恒溫1~3小時(shí),以5-10℃/小時(shí)速率降溫,合適的降溫速率一方面有利于晶體結(jié)晶完整,另一方面可防止完整晶體炸裂。晶體生長完畢,緩慢降溫至室溫后,打開爐罩,取出晶體。
      下面舉一個(gè)實(shí)施例來說明本發(fā)明在溫梯爐內(nèi)鉬(Mo)制坩堝尾部籽晶槽1中放入與光軸(c軸 方向)成布儒斯特角(Brewster),即α=60.4°的方向的定向籽晶,鉬(Mo)制坩堝尺寸為Φ76×80mm。稱量高純TiO2和Al2O3粉料1000克,其中含重量比0.30wt%的TiO2,在混料機(jī)中混合24小時(shí)后,用2t/cm2的等靜壓力鍛壓成塊,在真空或還原氣氛中1600℃燒結(jié)后,裝入鉬(Mo)制坩堝中,置于溫梯爐中,邊抽真空邊升溫至600℃,充入高純氬氣保護(hù)氣氛至1個(gè)大氣壓。持續(xù)升溫至熔體溫度~2050℃,恒溫2小時(shí),以6℃/hr速率降溫48小時(shí)。結(jié)晶完成后以1℃/min速率降至室溫,生長全過程結(jié)束。取出TiAl2O3晶體,按布儒斯特角定向、切割加工成激光棒,激光通光光斑面積內(nèi)徑向鈦(Ti)濃度梯度每厘米小于0.005wt%,激光輸出模式和激光性能明顯高于已有方法生長的晶體。
      權(quán)利要求
      1.一種摻鈦藍(lán)寶石激光晶體的生長方法,其特征是選用與光軸
      成布儒斯特角,即α=60.4°的方向作為摻鈦藍(lán)寶石晶體籽晶生長方向。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻鈦藍(lán)寶石激光晶體的生長方法,其特征是生長時(shí)可采用溫梯法、或熱交換法、或垂直溫梯法、或提拉法具體實(shí)施。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的摻鈦藍(lán)寶石激光晶體的生長方法,其特征是采用溫梯法進(jìn)行生長,TiAl2O3晶體生長工藝流程如下&lt;1&gt;首先在溫梯爐坩堝的耔晶槽內(nèi)放入定向籽晶,籽晶方向與c軸
      成布儒斯特角,即α=60.4°;&lt;2&gt;按一定配比的高純TiO2和Al2O3粉料在混料機(jī)中機(jī)械混合;&lt;3&gt;用壓料機(jī)壓塊成形,在真空或還原氣氛中燒結(jié)后,裝入坩堝中,置于溫梯爐中;&lt;4&gt;邊抽真空邊升溫至600℃,充入高純氬;&lt;5&gt;持續(xù)升溫至熔體溫度約2050℃左右,恒溫1~3小時(shí),以5-10℃/小時(shí)速率降溫,直至晶體生長完畢,緩慢降溫至室溫后,打開爐罩,取出晶體。
      全文摘要
      一種摻鈦藍(lán)寶石激光晶體的生長方法,其特征是選用與C軸
      成布儒斯特角,即α=60.4°的方向作為摻鈦藍(lán)寶石晶體籽晶生長方向,具體生長時(shí)可采用溫梯法、或熱交換法、或垂直溫梯法、或提拉法具體實(shí)施。從生長出的晶體中按布儒斯特角定向切割、加工成激光棒,克服了激光通光光斑面積內(nèi)摻鈦濃度不均勻性的難題,激光輸出模式和激光性能明顯高于已有方法生長的晶體,可以滿足激光器件制造的需求。
      文檔編號C30B11/00GK1475608SQ0314152
      公開日2004年2月18日 申請日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
      發(fā)明者周圣明, 司繼良, 徐軍, 李紅軍, 王靜雅, 周國清, 趙廣軍, 趙志偉 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
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