專利名稱：一種Re³⁺:KY(WO₄)₂激光晶體的生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明闡述采用旋轉(zhuǎn)坩鍋和熔鹽提拉法相結(jié)合的 方法生長(zhǎng)大尺寸Re3+:KY(W04)2激光晶體(Re代表稀土元素，如Nd、Yb、Er、Tm、Pr、Ho等)。
背景技術(shù)：
KY (W04) 2簡(jiǎn)稱KYW，屬于單斜晶系，空間群為C2/c，晶胞參數(shù)為<3 二 10. 64A, b = 10.35A，C 二 7. 54A, ^ = 130.5° , Dc = 6. 561g/cm3,v= 631. 39A3。KY(W04)2 是 一種具有良好的機(jī)械和物化性能，對(duì)于稀土摻雜激活離子具有吸收峰較寬、較大的發(fā)射截 面、泵浦閾值較低，有利于對(duì)LD光源的吸收，而且激活離子Re3+摻雜濃度較高，因此是一類 優(yōu)良的激光基質(zhì)材料。同時(shí)，由于KY(W04)2晶體具有較高的受激拉曼增益，受激拉曼散射閾 值較低，性能優(yōu)于同類的鎢酸鹽晶體，特別是作為自受激拉曼激光晶體，能夠?qū)?yōu)異的激光 性能和受激拉曼性能相結(jié)合，因此稀土激活的Re3+:KYW晶體將是一類優(yōu)異的激光晶體和自 受激拉曼激光晶體。由于Re3+:KY(W04)2是非同成分熔化，因此只能采用熔鹽法生長(zhǎng)晶體，目前國(guó)內(nèi)外 一般采用K2W04作為助熔劑，我們也生長(zhǎng)出尺寸達(dá)30mm的Nd3+:KY(W04)2優(yōu)質(zhì)激光晶體，采 用氙燈泵浦，實(shí)現(xiàn)了 1.06um的激光輸出，其效率優(yōu)于Nd3+:YAG晶體。但是采用熔鹽法生長(zhǎng) 技術(shù)，其生長(zhǎng)速率很慢，而且晶體生長(zhǎng)尺寸也受到很大的限制，為此，可以采用熔鹽提拉法 來(lái)提高晶體生長(zhǎng)速率和尺寸。但是，由于熔體中存在大量的K2W04助熔劑成分，其中W-0可以形成多W聚合物， 在熔體中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得熔體粘度很大，從而較低了離子基團(tuán)的輸運(yùn)速率。而離子基 團(tuán)從熔體向晶體表面的擴(kuò)散和排雜助熔劑離子基團(tuán)向熔體的擴(kuò)散過(guò)程，是熔鹽法晶體生長(zhǎng) 的主要控制步驟，其生長(zhǎng)速率取決于離子基團(tuán)的輸運(yùn)速率，特別是對(duì)于熔鹽提拉法生長(zhǎng)技 術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)要求較大的生長(zhǎng)速率。如果熔體的混合度較低，則晶體生長(zhǎng)排雜助熔劑離子 基團(tuán)不能及時(shí)地從晶體中擴(kuò)散到熔體中，而熔質(zhì)離子基團(tuán)也不能及時(shí)地從熔體輸運(yùn)到晶體 表面，這將阻礙晶體的生長(zhǎng)并引起晶體的饑餓，產(chǎn)生包裹，甚至引起晶體邊界局部的過(guò)熱現(xiàn) 象，難于繼續(xù)生長(zhǎng)，這些現(xiàn)象都曾經(jīng)出現(xiàn)在我們生長(zhǎng)LB0和NYAB等晶體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。顯然地，我們現(xiàn)在所普遍使用的頂部旋轉(zhuǎn)籽晶攪拌方法和靠溫度梯度所造成的自 然對(duì)流法，都不能夠使熔體得到有效的混合，離子基團(tuán)的輸運(yùn)速率都較緩慢，這主要是這些 方法存在著以下的局限性(1)籽晶在熔體的頂部攪拌，只引起有限區(qū)域熔體的混合，還會(huì) 造成頂部熔體的快速揮發(fā)，并使得生長(zhǎng)的亞穩(wěn)區(qū)變窄。(2)靠溫度梯度所造成的自然對(duì)流并 不能使熔體有效的混合，還會(huì)引起較大的溫度波動(dòng)。為了克服上述方法的局限性，必須采用更有效的攪拌方法，而旋轉(zhuǎn)坩鍋法便是一 種方法。旋轉(zhuǎn)坩鍋攪拌法(簡(jiǎn)稱ACRT)是指正反方向周期性地加速或減速旋轉(zhuǎn)坩鍋的技術(shù)。 在旋轉(zhuǎn)坩鍋攪拌法的作用下，由于熔體的粘性，坩鍋中心的熔體將產(chǎn)生相對(duì)于坩鍋邊緣的 熔體的運(yùn)動(dòng)，其流動(dòng)狀態(tài)包含有兩種基本的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(1) Spiral Shear流動(dòng)。在一定的旋 轉(zhuǎn)條件下，Spiral Shear流動(dòng)能夠在熔體中形成成千上百個(gè)螺旋臂，使得熔體均勻化。(2)Ekman流動(dòng)。Ekman流動(dòng)是類似于旋風(fēng)中大量空氣的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)坩鍋?zhàn)兯傩D(zhuǎn)時(shí)，相反的 流動(dòng)便產(chǎn)生了。不斷加速或減速旋轉(zhuǎn)坩鍋時(shí)，流體不斷地被抽運(yùn)通過(guò)Ekman層，從而使得熔 體達(dá)到連續(xù)的均勻混合。旋轉(zhuǎn)坩鍋的強(qiáng)混合效果，不僅可以加速質(zhì)能的輸運(yùn)，減少坩鍋底部和壁上的 晶體成核幾率，使得晶體生長(zhǎng)速率增大。同時(shí)，根據(jù)晶體生長(zhǎng)邊界層厚度的公式S = 22/3Di/3vi/6ri/2和生長(zhǎng)速率公式v = D(nsn-ne)/5 P，(D 擴(kuò)散系數(shù)；W 轉(zhuǎn)動(dòng)速率；P 比重； ne 平衡熔質(zhì)濃度；risn 熔質(zhì)濃度，V 晶體生長(zhǎng)速率)，這種強(qiáng)有效的流動(dòng)混合將有效地減少 邊界層的厚度，也可以加速晶體的生長(zhǎng)速率。并且這種強(qiáng)有效的流動(dòng)混合效果還將大大的 抑制溫度的波動(dòng)。綜上所述，把旋轉(zhuǎn)坩鍋和熔鹽提拉法相結(jié)合的方法用于Re3+ = KY(WO4)2激光晶體， 可以獲得大尺寸的Re3+ = KY(WO4)2激光晶體。目前，我們采用這種方法已經(jīng)能夠快速生長(zhǎng)出 大于60mm的Nd3+ = KY(WO4)2優(yōu)質(zhì)激光晶體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開(kāi)一種Re3+ = KY(WO4)2激光晶體的生長(zhǎng)方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案本發(fā)明提供的Re3+ = KY(WO4)2激光晶體(其中Re代表稀土元素，如Nd、YbEr, Tm、 Pr、Ho等)的生長(zhǎng)方法，為采用旋轉(zhuǎn)坩鍋和熔鹽提拉法相結(jié)合的方法生長(zhǎng)晶體。該生長(zhǎng)方法采用4N的Y203、Re203和分析純的W203、K2C03作為原料，采用K2WO4作為 助熔劑，進(jìn)行Re3+ = KY(WO4)2激光晶體的生長(zhǎng)，其中(1)坩鍋的正反方向旋轉(zhuǎn)速率為-100 100(轉(zhuǎn)/分鐘)，周期為3 8分鐘；(2)籽晶的旋轉(zhuǎn)速率為5 20 (轉(zhuǎn)/分鐘)；(3)晶體的提拉速率為3 5 (毫米/天)；(4)籽晶方向?yàn)閎向;(5)在熔體熔化飽和溫度以上50度左右，將籽晶下到熔體中，15分鐘后降溫至熔 體熔化飽和溫度，開(kāi)始以2 5 (度/天)速率降溫。前述生長(zhǎng)方法所述的助熔劑可以采用K2W2O7代替。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 :Re3+= KY(WO4)2激光晶體的生長(zhǎng)制備采用55mol % K2W2O7作為助熔劑，采用4N的Y203、Re203和分析純的W03、K2C03作為 原料，按照下列化學(xué)反應(yīng)式進(jìn)行配料 K2C03+4W03+(1-x) Y203+xRe203 — 2KRexY(1_x) (WO4) 2+C02 個(gè)K42C03+2W03 — K2ff207+C02 個(gè)χ = 0. 01 0. 10。把原料混合均勻，壓成片狀，置于鉬坩堝中，以150°C /h緩慢升 溫到燒結(jié)的預(yù)定溫度，重復(fù)此過(guò)程，直至X射線粉末衍射的結(jié)果不變?yōu)橹?。把原料裝入Φ 55mmX 30mm的銥坩堝內(nèi)，升溫到比熔點(diǎn)高50 V的溫度，恒溫1小時(shí)， 使得原料熔化完全。所采用籽晶的方向?yàn)閎向，在熔體熔化飽和溫度以上50度左右，將籽 晶下到熔體中，15分鐘后降溫至熔體熔化飽和溫度，開(kāi)始以2 5(度/天)速率降溫。坩鍋的正反方向旋轉(zhuǎn)速率為-100 100(轉(zhuǎn)/分鐘)，周期為3 8分鐘，籽晶的旋轉(zhuǎn)速率為 5 20 (轉(zhuǎn)/分鐘)，晶體的提拉速率為3 5 (毫米/天)。生長(zhǎng)結(jié)束后，將晶體提離液面， 然后以10 30(度/小時(shí))的速率降至室溫，得到尺寸為大于60mm的透明晶體。實(shí)施例2 Re3+ KY (WO4) 2激光晶體的生長(zhǎng)制備采用55mol % K2WO4作為助熔劑，采用4N的Y203、Re2O3和分析純的W03、K2CO3作為 原料，按照下列化學(xué)反應(yīng)式進(jìn)行配料K2C03+4W03+(1-x) Y203+x Re2O3 — 2KRexY(1_x) (WO4) 2+C02 個(gè)K2C03+W03 — K2W04+C02 個(gè)χ = 0. 01 0. 10。把原料混合均勻，壓成片狀，置于鉬坩堝中，以150°C /h緩慢升 溫到燒結(jié)的預(yù)定溫度，重復(fù)此過(guò)程，直至X射線粉末衍射的結(jié)果不變?yōu)橹埂０言涎b入Φ 55mmX 30mm的銥坩堝內(nèi)，升溫到比熔點(diǎn)高50 V的溫度，恒溫1小時(shí)， 使得原料熔化完全。所采用籽晶的方向?yàn)閎向，在熔體熔化飽和溫度以上50度左右，將籽 晶下到熔體中，15分鐘后降溫至熔體熔化飽和溫度，開(kāi)始以2 5(度/天)速率降溫。坩 鍋的正反方向旋轉(zhuǎn)速率為-100 100(轉(zhuǎn)/分鐘)，周期為3 8分鐘，籽晶的旋轉(zhuǎn)速率為 5 20 (轉(zhuǎn)/分鐘)，晶體的提拉速率為3 5 (毫米/天)。生長(zhǎng)結(jié)束后，將晶體提離液面， 然后以10 30(度/小時(shí))的速率降至室溫，得到尺寸為大于60mm的透明晶體。
權(quán)利要求
一種Re3+:KY(WO4)2激光晶體的生長(zhǎng)方法，其中Re為Nd、Yb、Er、Tm、Pr、Ho，其特征在于采用旋轉(zhuǎn)坩鍋和熔鹽提拉法相結(jié)合的方法生長(zhǎng)晶體。
2.—種權(quán)利要求1所述的Re3+:KY(W04)2激光晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于采用Y203、 Re203和W203、K2C03作為原料，采用K2W04或K2W207作為助熔劑；坩鍋的正反方向旋轉(zhuǎn)速率 為-100 100(轉(zhuǎn)/分鐘)，周期為3 8分鐘；籽晶的旋轉(zhuǎn)速率為5 20(轉(zhuǎn)/分鐘)； 晶體的提拉速率為3 5(毫米/天)；籽晶方向?yàn)閎向；在熔體熔化飽和溫度以上50度左 右，將籽晶下到熔體中，15分鐘后降溫至熔體熔化飽和溫度，開(kāi)始以2 5 (度/天)速率降
全文摘要
本發(fā)明涉及Re3+:KY(WO4)2激光晶體的生長(zhǎng)方法，其中Re代表稀土元素，如Nd、Yb等。采用旋轉(zhuǎn)坩堝和熔鹽提拉法相結(jié)合的方法生長(zhǎng)晶體。采用4N的Y2O3、Re2O3和分析純的W2O3、K2CO3作為原料，采用K2WO4作為助熔劑，進(jìn)行Re3+:KY(WO4)2激光晶體的生長(zhǎng)。所述的助熔劑可以采用K2W2O7代替。
文檔編號(hào)C30B15/00GK101831709SQ20091011123
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者朱昭捷, 李堅(jiān)富, 涂朝陽(yáng), 游振宇, 王燕 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所