專利名稱:一種摻釹鎢酸釔鉀激光晶體的生長(zhǎng)方法及其生長(zhǎng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光晶體材料技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種摻釹鎢酸釔鉀(化學(xué)式為Nd:KY(WO4)2，簡(jiǎn)稱Nd:KYW)激光晶體的生長(zhǎng)方法及其生長(zhǎng)裝置。
背景技術(shù)：
LD泵浦全固體激光器是激光領(lǐng)域研究與發(fā)展的重點(diǎn)，探索更好的適合LD泵浦的激光晶體激光材料成為材料研究人員不斷追求的內(nèi)容。激光晶體本身由摻雜的激活離子和基質(zhì)晶體兩部分組成，基質(zhì)晶體的性能優(yōu)劣直接影響著晶體的應(yīng)用，而不同的激活離子在同一個(gè)組成基質(zhì)晶體中由于能級(jí)結(jié)構(gòu)的不同將有不同的受激輻射產(chǎn)生，從而在滿足激光產(chǎn)生條件時(shí)發(fā)射不同波長(zhǎng)的激光。摻稀土鎢酸鹽激光材料是一類理化性質(zhì)穩(wěn)定、閾值低、發(fā)射截面積大的優(yōu)良激光材料，目前受到較多的重視。該類材料分為單斜晶系和四方晶系兩個(gè)大類。單斜晶系的摻稀土鎢酸鹽激光材料由于存在非一致熔融現(xiàn)象而采用高溫溶液法(熔鹽法或助熔劑法)，四方晶系的摻稀土鎢酸鹽激光材料通常采用熔體法生長(zhǎng)(Journal of Crystal Growth，2002，240459-462)。
摻Nd3+的KY(WO4)2晶體是摻稀土鎢酸鹽激光材料的一個(gè)優(yōu)秀品種。早在1968年，S.V Borisov等人就測(cè)定了KY(WO4)2基質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)(S.V Borisov，R.F.Klevlsova，Kristallogr，1968，13517)，以后的工作也不斷證明早期所給出的KY(WO4)2晶體結(jié)構(gòu)的正確性。KY(WO4)2屬于單斜晶系，空間群為C2h6(Z＝4)，單胞參數(shù)為a＝10.64，b＝10.35，c＝7.54，β＝90.4°。KY(WO4)2熔點(diǎn)約為1080℃，相變溫度為1014℃，通常所指的KY(WO4)2晶體為低溫相，因此只能采用助熔劑法生長(zhǎng)。
對(duì)于摻Nd3+的KY(WO4)2晶體的研究則從七十年代就開始的(A.A.Kaminskii，et al.J.Quantum Electronics，1972，QE-8，457-458)。到目前為止，用助溶劑法生長(zhǎng)該晶體時(shí)往往選用自助溶劑的辦法進(jìn)行，目的是避免將額外的雜質(zhì)引入到晶體中。分別用K2W2O7和K2WO4作為助熔劑生長(zhǎng)摻Nd3+的KY(WO4)2晶體已經(jīng)有多篇報(bào)道(G.Wang，Z.Luo.，Journal of Crystal Growh，1990(102)765-76；G.Wangand Z.Luo.，Journal of Crystal Growth，1992(116)505-506；A.Brenier，F(xiàn).Bourgeois，G.MBtrat，et al.Journal of Luminescence，1999(81)135-141；E.Gallucci，C.Goutaudier，G.Boulon，et al.，Journal of Crystal Growth，2000(209)895-905)，并認(rèn)為K2WO4作為助熔劑優(yōu)于用K2W2O7作助熔劑。在采用頂部籽晶熔鹽法生長(zhǎng)摻Nd3+離子的晶體時(shí)很難獲得高質(zhì)量大尺寸的晶體。后來(lái)有人使用K2WO4--KF聯(lián)合助熔劑降低了溶液的粘度，采用頂部籽晶溶液法生長(zhǎng)該晶體質(zhì)量有所提高(X.Han，G.Wang，Journal of Crystal Growth，2002，242412-420)。但是，Nd3+KY(WO4)2晶體仍然存在著晶體質(zhì)量不高、晶體尺寸有限、生長(zhǎng)速度緩慢等問題。

發(fā)明內(nèi)容為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種快速生長(zhǎng)高質(zhì)量、大尺寸的摻釹鎢酸釔鉀(Nd:KYW)激光晶體的生長(zhǎng)方法。本發(fā)明使用助熔劑的方法并結(jié)合提拉速率、旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述摻釹鎢酸釔鉀(Nd:KYW)激光晶體的生長(zhǎng)裝置。
本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種摻釹鎢酸釔鉀(Nd:KYW)激光晶體的生長(zhǎng)方法，包括如下工藝步驟和工藝條件(1)按照符合Ndx:KY1-x(WO4)2化學(xué)式所表示的摩爾配比分別稱取Y2O3、WO3、K2CO3、Nd2O3的原料(每種化學(xué)組分的純度在99.99％以上)，并加入助熔劑K2WO4、K2W2O7和KF/KCl，所述K2WO4占總體原料摩爾百分比為35～45mol％，KF/KCl占總體原料摩爾百分比為0.2～1.0mol％；K2W2O7，占總體原料摩爾百分比是5～15mol％。
配料時(shí)按下述反應(yīng)式進(jìn)行4WO3+K2CO3+xNd2O3+(1-x)Y2O3＝2KNdxY1-x(WO4)2+CO2所述助熔劑K2W2O7由原料K2CO3和WO3自身反應(yīng)而成，K2CO3和WO3反應(yīng)式如下K2CO3+2WO3＝K2W2O7+CO2。
(2)將上述稱取好的原料研磨混合均勻，壓成片狀，然后裝入到鉑金坩堝中，置于1000℃燒結(jié)10～25小時(shí)進(jìn)行固相反應(yīng)，得到多晶狀料。
(3)將燒結(jié)后的多晶狀料再次研磨壓片后裝入鉑金坩堝中，將裝有多晶狀料的鉑金坩堝置于熔鹽提拉生長(zhǎng)爐中，Nd:KY(WO4)2的籽晶片置于多晶狀料Nd:KY(WO4)2的上方3～8mm處；熔鹽提拉生長(zhǎng)爐抽真空后再充入氮?dú)獗Ｗo(hù)，升溫到1080～1090℃附近不斷攪拌充分溶化上述多晶狀料4～8小時(shí)，然后在1100～1110℃恒溫2～4小時(shí)，緩慢降溫到1085℃時(shí)按照提拉法生長(zhǎng)晶體的程序進(jìn)行試晶生長(zhǎng)、提拉、放肩、等徑生長(zhǎng)過(guò)程，經(jīng)過(guò)5～12天的等徑生長(zhǎng)周期后進(jìn)行晶體收尾，經(jīng)過(guò)1～2天緩慢降至室溫后，即可以獲得大尺寸高質(zhì)量的摻釹鎢酸釔鉀(Nd3+:KY(WO4)2)激光晶體。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，所述按照提拉法生長(zhǎng)晶體的程序進(jìn)行試晶生長(zhǎng)、提拉、放肩、等徑生長(zhǎng)過(guò)程中生長(zhǎng)條件是，放肩4～5小時(shí)，提拉速度為0.2～0.5mm/h，轉(zhuǎn)速為5～13rpm。
在裝有多晶狀料的鉑金坩堝置于熔鹽提拉生長(zhǎng)爐中，把鉑金絲深入到鉑金坩堝內(nèi)多晶狀料Nd:KY(WO4)2中，所述鉑金絲連接到陶瓷桿上。將Nd:KY(WO4)2的籽晶片用鉑金絲(直徑0.3mm)懸掛起來(lái)固定在陶瓷桿下面的籽晶桿上，并置于多晶狀料Nd:KY(WO4)2的上方3～8mm處。
本發(fā)明的Nd:KYW激光晶體的生長(zhǎng)裝置即熔鹽提拉生長(zhǎng)爐包括供熱系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，所述供熱系統(tǒng)中，熔鹽提拉生長(zhǎng)爐的內(nèi)腔中的銅線圈發(fā)熱體外圍設(shè)置一個(gè)保溫耐火材料罩，保溫耐火材料罩的內(nèi)層為一層厚度1cm的氧化鋯墊子，使鉑金坩堝內(nèi)部的溫場(chǎng)均勻；保溫耐火材料罩的上部覆蓋有一個(gè)厚度為2cm、直徑與保溫耐火材料罩的直徑一致的蓋子，蓋子的中央有一個(gè)圓孔，保證陶瓷桿能夠垂直通過(guò)蓋子。
所述保溫耐火材料罩厚度為1.5～2.0cm，高度在15～20cm之間，直徑為15～20cm?？傮w上來(lái)說(shuō)，必須根據(jù)銅線圈發(fā)熱體的實(shí)際尺寸和連接情況進(jìn)行加工氧化鋯陶瓷罩。
所述保溫耐火材料罩和蓋子的材料為氧化鋯陶瓷。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1、本發(fā)明通過(guò)改善復(fù)合助熔劑的特性、改進(jìn)生長(zhǎng)工藝、結(jié)合現(xiàn)有熔鹽法與提拉法設(shè)備的各自優(yōu)勢(shì)，生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的激光晶體。
2、本發(fā)明生長(zhǎng)晶體的方法是熔鹽提拉法，也即是在現(xiàn)有的提拉生長(zhǎng)爐中，經(jīng)過(guò)溫場(chǎng)改進(jìn)達(dá)到熔體生長(zhǎng)方法與高溫溶液生長(zhǎng)方法的結(jié)合。熔鹽提拉生長(zhǎng)爐的內(nèi)腔具備高溫溶液法(熔鹽法)與高溫熔體法(提拉法)的兩者的優(yōu)勢(shì)。
3、本發(fā)明結(jié)合了助熔劑法和提拉法生長(zhǎng)晶體的各自優(yōu)點(diǎn)，避免了非一致熔融材料生長(zhǎng)周期過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。
圖1為Nd3+:KY(WO4)2晶體熔鹽提拉法的生長(zhǎng)裝置示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1采用15mol％的K2W2O7、35mol％的K2WO4和0.2mol％的KF作為聯(lián)合助熔劑。按照下列反應(yīng)式進(jìn)行配料K2CO3+2WO3＝K2W2O7+CO24WO3+(1-x)Y2O3+xNd2O3+K2CO3＝2KNdxY1-x(WO4)2+CO2原料Y2O3、WO3、K2CO3、Nd2O3按照符合Ndx:KY1-x(WO4)2化學(xué)式所表示的摩爾比稱重后放到剛玉研缽中研磨混合均勻，用油壓機(jī)以3.0噸每平方厘米的壓強(qiáng)壓成片狀，裝入到Φ75mm×85mm的鉑金坩堝中，把鉑金坩堝置于馬弗爐中在1000℃下20小時(shí)燒結(jié)進(jìn)行固相反應(yīng)后，取出重新研磨壓片后再裝入到更大一點(diǎn)的Φ90mm×100mm鉑金坩堝中，把該鉑金坩堝置于熔鹽提拉生長(zhǎng)爐中，同時(shí)把連接有Nd:KY(WO4)2的籽晶片的籽晶桿與陶瓷桿連接后對(duì)中，再深入到鉑金坩堝內(nèi)的塊狀晶料Nd3+:KY(WO4)2上方3mm處，密封熔鹽提拉生長(zhǎng)爐的爐門并抽真空后再充入少量氮?dú)?，開始升溫到1090℃附近充分溶化4個(gè)小時(shí)，并不斷攪拌以使多晶料充分溶化，在1110℃恒溫2小時(shí)，然后開始緩慢降溫到1085℃時(shí)開始按照提拉法生長(zhǎng)晶體的步驟開始試晶生長(zhǎng)、提拉、放肩、等徑生長(zhǎng)過(guò)程，經(jīng)過(guò)5天的等徑生長(zhǎng)周期后進(jìn)行晶體收尾，經(jīng)過(guò)1～2天緩慢降至室溫后，就可以得到所需要的尺寸在Φ45mm×80mm以上的晶體。具體生長(zhǎng)條件是放肩4小時(shí)，等徑生長(zhǎng)周期10天，提拉速度0.3mm/h，轉(zhuǎn)速8～12rpm。
熔鹽提拉生長(zhǎng)爐包括供熱系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)。改進(jìn)之處在于供熱系統(tǒng)，如圖1所示，連接有Nd:KY(WO4)2的籽晶片的籽晶桿2與陶瓷桿1連接后對(duì)中，深入到鉑金坩堝4內(nèi)的塊狀晶料Nd3+:KY(WO4)2上方，在提拉生長(zhǎng)爐內(nèi)腔中的銅線圈發(fā)熱體3的外圍為氧化鋯陶瓷罩5，罩的內(nèi)層為一層厚度1cm的氧化鋯墊子，從而使鉑金坩堝內(nèi)部的溫場(chǎng)均勻；然后在罩的上部緊緊覆蓋有一個(gè)厚度為2cm、直徑與罩的直徑一致的氧化鋯陶瓷蓋子，而且氧化鋯陶瓷蓋子的中央有一個(gè)小圓孔，從而保證陶瓷桿1能夠垂直通過(guò)氧化鋯陶瓷蓋子。氧化鋯陶瓷罩厚度為1.5～2.0cm，高度在15～20cm之間，直徑為15～20cm?？傮w上來(lái)說(shuō)，必須根據(jù)銅線圈發(fā)熱體的實(shí)際尺寸和連接情況進(jìn)行加工氧化鋯陶瓷罩。
實(shí)施例2采用5mol％的K2W2O7、45mol％的K2WO4和0.5mol％的KCl作為聯(lián)合助熔劑，按照實(shí)施例1所給的反應(yīng)式進(jìn)行配料。原料Y2O3、WO3、K2CO3、Nd2O3按照符合Ndx:KY1-x(WO4)2化學(xué)式所表示的摩爾比稱重后放到剛玉研缽中研磨混合均勻，用油壓機(jī)以3.0噸每平方厘米的壓強(qiáng)壓成片狀，裝入到Φ60mm×70mm的鉑金坩堝中，把鉑金坩堝置于馬弗爐中在1000℃下20小時(shí)燒結(jié)進(jìn)行固相反應(yīng)后，取出重新研磨壓片后再裝入到更大一點(diǎn)的Φ70mm×80mm鉑金坩堝中，把該鉑金坩堝一起置于熔鹽提拉生長(zhǎng)爐中，同時(shí)把連接有Nd:KY(WO4)2的籽晶片的籽晶桿與陶瓷桿連接后對(duì)中，再深入到鉑金坩堝內(nèi)的塊狀晶料Nd3+:KY(WO4)2上方8mm處，密封熔鹽提拉生長(zhǎng)爐的爐門并抽真空后再充入少量氮?dú)猓_始升溫到1080℃附近充分溶化8小時(shí)，并不斷攪拌以使多晶料充分溶化，在1105℃恒溫3小時(shí)，然后開始緩慢降溫到1085℃時(shí)開始按照提拉法生長(zhǎng)晶體的程序進(jìn)行試晶生長(zhǎng)、提拉、放肩、等徑生長(zhǎng)過(guò)程，經(jīng)過(guò)7天的等徑生長(zhǎng)周期后進(jìn)行晶體收尾，經(jīng)過(guò)1～2天緩慢降至室溫后，就可以得到所需要的尺寸在Φ40mm×65mm以上的晶體。具體生長(zhǎng)條件是放肩5小時(shí)，等徑生長(zhǎng)周期7天，提拉速度0.2mm/h，轉(zhuǎn)速5～7rpm。
實(shí)施例3采用10mol％的K2W2O7、40mol％的K2WO4和1.0mol％的KF作為聯(lián)合助熔劑，按照實(shí)施例1所給的反應(yīng)式進(jìn)行配料。按照實(shí)施例2的操作方式經(jīng)過(guò)原料稱重、研磨、壓片、裝堝、燒結(jié)、再研磨、再壓片、再裝堝等步驟之后，把該鉑金坩堝置于熔鹽提拉生長(zhǎng)爐中，把連接有Nd:KY(WO4)2的籽晶片的籽晶桿與陶瓷桿連接后對(duì)中，再深入到鉑金坩堝內(nèi)的塊狀晶料Nd3+:KY(WO4)2上方5mm處，密封熔鹽提拉生長(zhǎng)爐的爐門并抽真空后再充入少量氮?dú)猓_始升溫到1090℃附近充分溶化8小時(shí)，并不斷攪拌以使多晶料充分溶化，在1110℃恒溫4小時(shí)，然后開始緩慢降溫到1085℃時(shí)開始按照提拉法生長(zhǎng)晶體的程序進(jìn)行試晶生長(zhǎng)、提拉、放肩、等徑生長(zhǎng)過(guò)程，經(jīng)過(guò)12天的等徑生長(zhǎng)周期后進(jìn)行晶體收尾，經(jīng)過(guò)1～2天緩慢降至室溫后，就可以得到所需要的尺寸在Φ40mm×65mm以上的晶體。具體生長(zhǎng)條件是放肩5小時(shí)，等徑生長(zhǎng)周期12天，提拉速度0.2mm/h，轉(zhuǎn)速5～7rpm。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種摻釹鎢酸釔鉀激光晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于包括如下工藝步驟和工藝條件(1)按照符合Ndx:KY1-x(WO4)2化學(xué)式所表示的摩爾配比分別稱取原料Y2O3、WO3、K2CO3、Nd2O3，并加入助熔劑K2WO4、K2W2O7和KF/KCl，所述K2WO4占總體原料摩爾百分比為35～45mol％，KF/KCl占總體原料摩爾百分比為0.2～1.0mol％；K2W2O7占總體原料摩爾百分比是5～15mol％；(2)將上述稱取好的原料研磨混合均勻，壓成片狀，然后裝入到鉑金坩堝中，置于1000℃燒結(jié)10～25小時(shí)進(jìn)行固相反應(yīng)，得到多晶狀料；(3)將燒結(jié)后的多晶狀料再次研磨壓片后裝入鉑金坩堝中，將裝有多晶狀料的鉑金坩堝置于熔鹽提拉生長(zhǎng)爐中，Nd:KY(WO4)2的籽晶片置于多晶狀料Nd:KY(WO4)2的上方3～8mm處；熔鹽提拉生長(zhǎng)爐抽真空后再充入氮?dú)獗Ｗo(hù)，升溫到1080～1090℃不斷攪拌充分溶化上述多晶狀料4～8小時(shí)，然后在1100～1110℃恒溫2～4小時(shí)，降溫到1085℃時(shí)按照提拉法生長(zhǎng)晶體的程序進(jìn)行試晶生長(zhǎng)、提拉、放肩、等徑生長(zhǎng)過(guò)程，經(jīng)過(guò)5～12天的等徑生長(zhǎng)周期后進(jìn)行晶體收尾，經(jīng)過(guò)1～2天降至室溫后，即獲得摻釹鎢酸釔鉀激光晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種摻釹鎢酸釔鉀激光晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述按照提拉法生長(zhǎng)晶體的程序進(jìn)行試晶生長(zhǎng)、提拉、放肩、等徑生長(zhǎng)過(guò)程中生長(zhǎng)條件是，放肩4～5小時(shí)，提拉速度為0.2～0.5mm/h，轉(zhuǎn)速為5～13rpm。
3.一種Nd:KYW激光晶體的生長(zhǎng)裝置，包括供熱系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，其特征在于所述供熱系統(tǒng)中，內(nèi)腔中的銅線圈發(fā)熱體外圍設(shè)置一個(gè)保溫耐火材料罩，保溫耐火材料罩的內(nèi)層為一層厚度1cm的氧化鋯墊子；保溫耐火材料罩的上部覆蓋有一個(gè)厚度為2cm、直徑與保溫耐火材料罩的直徑一致的蓋子，蓋子的中央有一個(gè)圓孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的一種摻釹鎢酸釔鉀激光晶體的生長(zhǎng)裝置，其特征在于所述保溫耐火材料罩厚度為1.5～2.0cm，高度在15～20cm之間，直徑為15～20cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的一種摻釹鎢酸釔鉀激光晶體的生長(zhǎng)裝置，其特征在于所述保溫耐火材料罩和蓋子的材料為氧化鋯陶瓷。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種獲得大尺寸高質(zhì)量摻釹鎢酸釔鉀激光晶體的生長(zhǎng)方法。該方法通過(guò)復(fù)合助熔劑的配比變化，結(jié)合化學(xué)式進(jìn)行化學(xué)組分的配比，通過(guò)調(diào)節(jié)提拉速率、旋轉(zhuǎn)速率和等徑生長(zhǎng)過(guò)程，獲得所需要的大尺寸高光學(xué)質(zhì)量單晶體。本發(fā)明還公開了上述激光晶體的生長(zhǎng)裝置。本發(fā)明通過(guò)改善復(fù)合助熔劑的特性、改進(jìn)生長(zhǎng)工藝、結(jié)合現(xiàn)有熔鹽法與提拉法設(shè)備的各自優(yōu)勢(shì)，生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的激光晶體。本發(fā)明結(jié)合了助熔劑法和提拉法生長(zhǎng)晶體的各自優(yōu)點(diǎn)，避免了非一致熔融材料生長(zhǎng)周期過(guò)長(zhǎng)、生長(zhǎng)方法單一的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S3/16GK1995492SQ200610123988
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月1日
發(fā)明者陳振強(qiáng), 王如剛, 林浪, 胡國(guó)勇 申請(qǐng)人:暨南大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan