大尺寸Yb-YAG激光晶體泡生法制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大尺寸Yb-YAG激光晶體泡生法制備方法，其步驟包括裝爐、化料、引晶、縮頸、放肩、等徑生長、冷卻和退火。放肩時，晶體的轉(zhuǎn)速為零，放肩及其以后各階段，晶體都不轉(zhuǎn)動。把拉速控制在0.05~0.3mm/h范圍內(nèi)，重量增加速率控制在10~250g/h范圍內(nèi)，待晶體直徑長至所需直徑，即完成放肩過程。等徑生長時，調(diào)節(jié)加熱功率，使晶體重量均勻增加，增加速率為250~900g/h，直到重量不再增加為止，此時晶體生長結(jié)束。本方法生長的Yb：YAG晶體，具有尺寸大、缺陷密度低、無核心、利用率高、成本低等突出優(yōu)點，能滿足大型高功率激光裝置對大尺寸Yb：YAG晶體的需求。
【專利說明】大尺寸丫—丫八6激光晶體泡生法制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光晶體生長技術(shù)改進，具體指一種直徑0180皿以上的大尺寸摻鐿釔鋁石榴石激光晶體(以下簡稱％:鶴的泡生法制備方法，屬于晶體生長【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003]在激光慣性約束核聚變等大型激光工程的推動下(例如:歐洲高功率激光能源研究機構(gòu)美國勞倫斯利弗莫爾實驗室的國家點火裝置犯？)，激光二極管泵浦的％:^6晶體激光器是發(fā)展高效、高功率固體激光器的一個主要研究方向。其中作為核心增益介質(zhì)的％:^6晶體除了具有優(yōu)異的光學、熱學和機械性能外，它與傳統(tǒng)的制:^6晶體相比還具有如下優(yōu)勢:在94011111附近有更寬的吸收帶(…鹽)，能與1成“8激光二極管有效的耦合；量子缺陷小廣8.690，無輻射弛豫引起的材料熱負荷低，僅為制:^6晶體的1/3 ；熒光壽命長(951 ^ 8),是制:^6晶體的3倍多，有利于儲能；無濃度淬滅效應(yīng)；無激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換效應(yīng)。目前，歐洲高功率激光能源研究機構(gòu)已計劃采用二極管泵浦％:^6晶體激光器來獲得1000級以上的高能激光，其目標是逐步提升激光功率最終實現(xiàn)激光聚變點火。在類似的大型激光裝置上，都需要大尺寸的％ 激光晶體。
[0004]目前生長％:^6晶體的主要方法有提拉法法?、溫度梯度法(呢丁)和水平定向凝固法。其中提拉法是最常見的高熔點晶體生長方法，它具有生長過程可觀察、生長速度快、無寄生成核等優(yōu)點。提拉法生長大尺寸％ 晶體的局限性在于:? 晶體的熔點約19501，銥的熔點是24401，而使用銥坩堝不會造成任何損壞的最大臨界溫度是23001。由于大的徑向溫度梯度(坩堝壁與其中間處的熔體溫度的差),而大的徑向溫度梯度對制備光學品質(zhì)的晶體是必須的，因而通過提拉法從銥坩堝來生長大直徑的％:^6晶體非常困難；用提拉法生長％:^6晶體的另一個重要缺點是在晶體中心存在核心，導致晶體的利用率降低。盡管已有對提拉法技術(shù)進行改進，例如中國專利101338453八所述，用電阻加熱鑰坩堝實現(xiàn)平界面生長％孤晶體，但獲得的晶體直徑仍只有35飛水平定向凝固法與提拉法不同，它是將原料裝入鑰制的舟型坩堝中，待原料融化之后在熱區(qū)中緩慢移動坩堝，從熱區(qū)移動到冷區(qū)使原料凝固結(jié)晶。該方法生長的晶體尺寸和形狀由坩堝決定，通常晶體成片狀，文獻一丨 ^1, 6^0^1:11 0？90
111111%: 1^6 5111^16 01*75^^15 界 1 七匕1116七 110土 0^)^1081 18^61*1815
2X1)1*688，2012，2(9):1219-1225]報道生長出了直徑90臟的丫匕丫‘激光晶體。溫度梯度法是1985年獲得的專利，主要用來生長寶石晶體(101705516八中國專利),而在生長石榴石晶體方面還未獲得足夠高的光學品質(zhì)，采用此法生長的％ 晶體尺寸最大為
075麵 X 45麵0.XII， 2.1 21180, 6七 3,1, ￠01111)81-18011 0？ %: 1^6 01-73^^18 ^0^11 67
01811(1 161 11161:110(1, 了011111&1 0？ 078^12003，257 (3-4): 297-300]。以上所述方法除了在獲得大尺寸％:^6晶體方面有困難，而且晶體品質(zhì)也因方法固有的特點而存在缺陷，例如:溫度梯度法和水平定向凝固法生長的晶體與坩堝壁始終接觸，容易寄生成核，也會在降溫階段由于熱收縮不一致引起晶體應(yīng)力，甚至引起晶體開裂；而提拉法生長的晶體往往因為溫度梯度過大，晶體位錯等缺陷較多，影響激光性能。
[0005]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種大尺寸激光晶體泡生法制備方法，本方法可以生長直徑大于180111111的激光晶體。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
大尺寸激光晶體泡生法制備方法，本方法％:^6晶體生長在高溫爐中進行，該高溫爐的爐體上有冷卻水接入口，爐體內(nèi)設(shè)有環(huán)狀的保溫層，保溫層內(nèi)設(shè)有放置坩堝的托盤，爐蓋上設(shè)有籽晶桿，籽晶桿上端與重量傳感器、提拉電機和旋轉(zhuǎn)電機相連，激光晶體制備步驟如下，
(1)裝爐:將配制好的％塊狀預(yù)結(jié)晶原料裝入鎢制坩堝內(nèi)，再把坩堝放置在托盤上，并裝上籽晶，裝爐完畢，將高溫爐抽真空至彡〖X 10—3？3 ；%:^6預(yù)結(jié)晶原料中％離子的摻雜濃度為0.廣50.0社.％范圍內(nèi)的任意值；
(2)化料:打開加熱電源，將坩堝溫度升高至原料熔點之上5?101；待原料全部熔化后，調(diào)節(jié)加熱功率使熔體對流形態(tài)穩(wěn)定，再保持廣5匕；
(3)引晶:打開提拉電機，緩慢下降籽晶桿，使籽晶下端與熔體表面接觸，控制引晶溫度使籽晶既不生長也不融化；
(4)縮頸:引晶熔接后，觀察結(jié)盤情況，判定冷心位置是否在坩堝中心，如果不在坩堝中心，則通過旋轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)籽晶使盤的位置向坩堝中心生長，結(jié)盤直徑小于3挪；結(jié)盤位置在坩堝中心后，再采用手動提拉的方式達到縮頸的目的，每次提拉廣3皿，頸的總體高度為2^40.11 ；調(diào)整好功率以后，進入放肩過程；
(5)放肩:放肩時，晶體的轉(zhuǎn)速為零，放肩及其以后各階段，晶體都不轉(zhuǎn)動；把拉速控制在0.05^0.3111111/1！范圍內(nèi)，重量增加速率控制在101508/11范圍內(nèi)，待晶體直徑長至所需直徑，即完成放肩過程；
(6)等徑生長:調(diào)節(jié)加熱功率，使晶體重量均勻增加，增加速率為250、008711，直到重量不再增加為止，此時晶體生長結(jié)束；
(7)冷卻:在冷卻過程中，初始降溫速率為1(^301作，溫度為20(^4001時關(guān)閉加熱電源，再充入氬氣，以增加自發(fā)降溫速率，直到晶體冷卻至室溫；
(8)退火:從高溫爐中取出晶體后，再把晶體放入馬弗爐中在02—^2氣氛或空氣氣氛下退火，如果是02—~2氣氛，則02濃度為0.廣30%，退火溫度為1200?13501，恒溫時間為30?48卜，升溫速率為40?501 /卜，降溫速率為20?301 /匕。
[0008]所述坩堝為圓筒狀，坩堝上部內(nèi)徑大于底部內(nèi)徑的2?20%，坩堝底部內(nèi)徑
^ 200臟。
[0009]本方法所使用的籽晶的方向為[111]方向或[100]方向。
[0010]本方法與提拉法相比有一定的相似性，都具有生長過程可觀察；可以通過縮頸工藝減少籽晶延伸到晶體內(nèi)部的缺陷；晶體不與坩堝接觸，無寄生成核，降溫時不會引起應(yīng)力等優(yōu)點。除此之外，本方法還有提拉法所不具備的以下優(yōu)點:1、可以生長直徑少以上的大尺寸％:^6晶體，晶體尺寸與坩堝直徑相近。
[0011]2、晶體生長時溫度梯度小(彡1000 /挪)，能得到低位錯密度的高品質(zhì)％:^6晶體，而在小的溫度梯度下不會出現(xiàn)組分過冷的原因是離子在現(xiàn)晶體中的分凝系數(shù)接近于1.0。
[0012]3、進入等徑生長階段后，晶體不轉(zhuǎn)動，拉速極慢(不高于0.3皿作)，避免了因機械振動引起的固液界面的波動，使生長界面更穩(wěn)定，晶體品質(zhì)更高。
[0013]4、生長界面為凸向熔體的錐型，生長核心面積小。
[0014]5、本發(fā)明生長成本比提拉法低。
[0015]綜上所述，采用泡生法生長的％:^6晶體，具有尺寸大、缺陷密度低、無核心(或核心小?、利用率高、成本低等突出優(yōu)點，能滿足大型高功率激光裝置對大尺寸％:^6晶體的需求。同時，該技術(shù)的推廣，也具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
[0016]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為生長％孤晶體的泡生爐示意圖。
[0018]圖中，1-冷卻水接入口，2-爐體，3-保溫層，4-坩堝，5-加熱電極，6-籽晶桿， 籽晶，8-支撐桿。
[0019]

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0021]本發(fā)明泡生法生長％:^6晶體，它在高溫爐中進行，高溫爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。高溫爐的爐體2上有冷卻水接入口 1，爐體2內(nèi)設(shè)有鎢制坩堝4，坩堝4設(shè)置在一個托盤上，托盤由安裝在爐膛中心的支撐桿8支撐。坩堝和爐體之間有保溫層3，爐蓋上設(shè)有籽晶桿6，籽晶桿6上端與重量傳感器、提拉電機和旋轉(zhuǎn)電機相連，籽晶桿6下端裝有現(xiàn)籽晶7。標號5為加熱電極。本發(fā)明按以下步驟進行:
(1)裝爐:將配制好的％ 塊狀預(yù)結(jié)晶原料裝入鎢制坩堝內(nèi)，再把坩堝用叉車吊入泡生爐爐膛中的托盤上，再依次裝上保溫罩、籽晶和爐蓋。最后抽真空至彡5X10—3？3。
[0022](2)化料:打開加熱電源，將坩堝溫度升高至原料熔點之上5?101。待原料全部熔化后，調(diào)節(jié)加熱功率使熔體對流形態(tài)穩(wěn)定，再保持廣5匕。
[0023](3)引晶:打開提拉電機，緩慢下降籽晶桿，使籽晶下端與熔體表面接觸，若籽晶既不生長也不融化時，溫度為最佳引晶溫度。
[0024](4)縮頸:引晶熔接后，通過觀察結(jié)盤情況，判定冷心位置是否在坩堝中心，確定是否由旋轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)籽晶使盤的位置向坩堝中心生長，結(jié)盤直徑盡量小，直徑小于3(3?。?！，確定盤位置在坩堝中心后，開始采用手動提拉的方式達到縮頸的目的，每次提拉在廣3皿，頸的總體高度為21(3111。調(diào)整好功率以后，進入放肩過程。
[0025](5)放肩:把拉速控制在0.05^0.3^/11范圍內(nèi)，重量增加速率控制在101508/11范圍內(nèi)，待晶體直徑長至所需直徑，即完成放肩過程。
[0026](6)等徑生長:調(diào)節(jié)加熱功率，使晶體重量均勻增加，增加速率為250、008711，直到重量不再增加為止。
[0027](7)冷卻:在冷卻過程中，初始降溫速率為1(^301 /卜，溫度為20(^4001時關(guān)閉加熱電源，再充入高純氬氣，以增加自發(fā)降溫速率，直到晶體冷卻至室溫。
[0028](8)退火:從高溫爐中取出晶體后，再把晶體放入馬弗爐中在02—^2〔02濃度為0.廣30%)氣氛或空氣氣氛下退火，退火溫度為1200?13501，恒溫時間為30?48卜，升溫速率為40?501 /11,降溫速率為20?301 /匕。
[0029]上述步驟(1)中％:^6預(yù)結(jié)晶原料中％離子的摻雜濃度可以是0.廣50.0 %范圍內(nèi)的任意值。原料的重量為36?1001^，這與％離子的摻雜濃度和坩堝大小有關(guān)。
[0030]上述步驟(1)中鎢坩堝為圓筒狀，坩堝上部內(nèi)徑大于底部內(nèi)徑的2?20%，坩堝底部內(nèi)徑為200111111或更大。
[0031]上述步驟(3)中所使用的籽晶的方向為[111]方向或[100]方向。
[0032]上述步驟(5)中，晶體的轉(zhuǎn)速為零，拉速低于0.3111111/11，或者拉速為零。
[0033]以下給出兩實施例以幫助進一步理解本發(fā)明。
[0034]實施例1:
將預(yù)結(jié)晶高純塊狀％ 原料374裝入酒精洗滌過的鎢坩堝內(nèi)，進行裝爐。原料中離子的濃度為2.0^1:.%，鶴土甘禍上部內(nèi)徑為230111111，下部內(nèi)徑為200111111，內(nèi)高為325111111。裝完爐后，爐膛抽真空至〖X 10—3？3時，按61^/1！的速率進行電阻加熱升溫，直到原料全部熔化，觀察到熔體中有穩(wěn)定的液流線時，保溫化。緩慢調(diào)節(jié)籽晶使其下端下降至熔體液面上方處，籽晶中心與坩堝的幾何中心相對偏差不大于川臟，并觀察籽晶頭是否有熔化現(xiàn)象，若有熔化現(xiàn)象則溫度過高，需降低加熱功率。將籽晶浸入熔體中，調(diào)節(jié)加熱功率，使籽晶既不長大也不熔化，即完成引晶過程。降低加熱功率1欣，待籽晶頭結(jié)盤直徑約2挪時，手動提拉籽晶桿進行縮頸，每次提拉高度為2.,共縮頸10次。縮頸完畢后，將提拉速度調(diào)節(jié)到0.3111111/1！，并調(diào)節(jié)加熱功率，使重量分別按3(^/11((^5008)308/11(500^21^^1208/
11(2^)的方式增加，直到晶體直徑約190臟時，即完成放肩。然后再按3508/?的速率進入等徑生長階段，此時拉速設(shè)為0.07^/1^等晶體質(zhì)量不再增加后，晶體生長結(jié)束。整個生長過程在真空下進行。然后調(diào)節(jié)加熱功率，按301 /11的速率降溫，待爐內(nèi)溫度為3001時，關(guān)閉加熱電源，再通入高純紅氣，使爐膛內(nèi)的壓力與大氣壓相等，再過48卜后取出晶體毛坯。從泡生爐中取出的％:^6晶體毛坯直徑為190皿，因為離子引起的色心存在，晶體呈淡藍色。
[0035]將上面得到的％:^6晶體毛坯放入馬弗爐內(nèi)，在空氣氣氛下按501 /卜的速率升溫至12501，再恒溫48匕再按251作的降溫速率降溫至室溫，最后取出晶體，晶體無色透明。
[0036]實施例2:
將預(yù)結(jié)晶高純塊狀％ 原料414裝入酒精洗滌過的鎢坩堝內(nèi)，進行裝爐。原料中離子的濃度為30.0^1:.%，鶴相'禍上部內(nèi)徑為230臟，下部內(nèi)徑為200臟，內(nèi)高為325臟。裝完爐后，爐膛抽真空至5 X 10—3？3時，按61^/1！的速率進行電阻加熱升溫，直到原料全部熔化，觀察到熔體中有穩(wěn)定的液流線時，保溫化。緩慢調(diào)節(jié)籽晶使其下端下降至熔體液面上方處，籽晶中心與坩堝的幾何中心相對偏差不大于川臟，并觀察籽晶頭是否有熔化現(xiàn)象，若有熔化現(xiàn)象則溫度過高，需降低加熱功率。將現(xiàn)籽晶浸入熔體中，調(diào)節(jié)加熱功率，使籽晶既不長大也不熔化，即完成引晶過程。降低加熱功率1欣，待籽晶頭結(jié)盤直徑約2挪時，手動提拉籽晶桿進行縮頸，每次提拉高度為2.,共縮頸10次?？s頸完畢后，將提拉速度調(diào)節(jié)到0.3111111/1！，并調(diào)節(jié)加熱功率，使重量分別按358/? (0^560^),80^ (560^2.3^),1358/? (2.31.51?)的方式增加，直到晶體直徑約190臟時，即完成放肩。然后再按400^/11的速率進入等徑生長階段，此時拉速設(shè)為0.07^/1！，等晶體質(zhì)量不再增加后，晶體生長結(jié)束。整個生長過程在真空下進行。然后調(diào)節(jié)加熱功率，按301/1！的速率降溫，待爐內(nèi)溫度為3001時，關(guān)閉加熱電源，再通入高純紅氣，使爐膛內(nèi)的壓力與大氣壓相等，再過48卜后取出晶體毛坯。從泡生爐中取出的％:^6晶體毛坯直徑為190111111，因為離子引起的色心存在，晶體呈淡藍色。
[0037]將上面得到的％:^6晶體毛坯放入馬弗爐內(nèi)，在空氣氣氛下按501 /卜的速率升溫至12501，再恒溫48匕再按251作的降溫速率降溫至室溫，最后取出晶體，晶體無色透明。
[0038]本發(fā)明的上述實施例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
【權(quán)利要求】
1.大尺寸Yb-YAG激光晶體泡生法制備方法，其特征在于:本方法Yb=YAG晶體生長在高溫爐中進行，該高溫爐的爐體上有冷卻水接入口，爐體內(nèi)設(shè)有環(huán)狀的保溫層，保溫層內(nèi)設(shè)有放置坩堝的托盤，爐蓋上設(shè)有籽晶桿，籽晶桿上端與重量傳感器、提拉電機和旋轉(zhuǎn)電機相連，Yb-YAG激光晶體制備步驟如下， (1)裝爐:將配制好的Yb:YAG塊狀預(yù)結(jié)晶原料裝入鎢制坩堝內(nèi)，再把坩堝放置在托盤上，并裝上籽晶，裝爐完畢，將高溫爐抽真空至彡5X 10? ； (2)化料:打開加熱電源，將坩堝溫度升高至原料熔點之上5?10°C;待原料全部熔化后，調(diào)節(jié)加熱功率使熔體對流形態(tài)穩(wěn)定，再保持l?5h ； (3)引晶:打開提拉電機，緩慢下降籽晶桿，使籽晶下端與熔體表面接觸，控制引晶溫度使籽晶既不生長也不融化； (4)縮頸:引晶熔接后，觀察結(jié)盤情況，判定冷心位置是否在坩堝中心，如果不在坩堝中心，則通過旋轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)籽晶使盤的位置向坩堝中心生長，結(jié)盤直徑小于3cm ;結(jié)盤位置在坩堝中心后，再采用手動提拉的方式達到縮頸的目的，每次提拉f 3mm，頸的總體高度為2^4cm ;調(diào)整好功率以后，進入放肩過程； (5)放肩:放肩時，晶體的轉(zhuǎn)速為零，把拉速控制在0.05、.3mm/h范圍內(nèi)，重量增加速率控制在l(T250g/h范圍內(nèi)，待晶體直徑長至所需直徑，即完成放肩過程； (6)等徑生長:調(diào)節(jié)加熱功率，使晶體重量均勻增加，增加速率為25(T900g/h，直到重量不再增加為止，此時晶體生長結(jié)束； (7)冷卻:在冷卻過程中，初始降溫速率為1(T30°C/h，溫度為20(T40(TC時關(guān)閉加熱電源，再充入氬氣，以增加自發(fā)降溫速率，直到晶體冷卻至室溫； (8)退火:從高溫爐中取出晶體后，再把晶體放入馬弗爐中在02+隊氣氛或空氣氣氛下退火，如果是02+N2氣氛，則O2濃度為0.1?30%，退火溫度為120(Tl350°C，恒溫時間為30?48h，升溫速率為4(T50°C /h,降溫速率為2(T30°C /h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸Yb-YAG激光晶體泡生法制備方法，其特征在于:所述坩堝為圓筒狀，坩堝上部內(nèi)徑大于底部內(nèi)徑的2?20%，坩堝底部內(nèi)徑> 200mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸Yb-YAG激光晶體泡生法制備方法，其特征在于:本方法所使用的籽晶的方向為[111]方向或[100]方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸Yb-YAG激光晶體泡生法制備方法，其特征在于:Yb:YAG預(yù)結(jié)晶原料中Yb離子的摻雜濃度為0.Γ50.0 at.%范圍內(nèi)的任意值。
【文檔編號】C30B29/28GK104357899SQ201410671892
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】丁雨憧 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所