專利名稱：祖母綠和綠柱石復(fù)合激光晶體的生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于祖母綠(CrBe3Al2Si6O18)和綠柱石(Be3Al2Si6O18)復(fù)合激光晶體的生長(zhǎng)方法。具體涉及到在祖母綠單晶兩端生長(zhǎng)綠柱石，組合成祖母綠和綠柱石的復(fù)合激光晶體材料Be3Al2Si6O18/CrBe3Al2Si6O18/Be3Al2Si6O18。
隨著高功率、超快超強(qiáng)激光技術(shù)及半導(dǎo)體激光二極管(LD)泵浦技術(shù)的發(fā)展，對(duì)激光介質(zhì)晶體的激光損傷閾值的要求越來(lái)越高。1998年R.Weber等人提出在NdYAG激光棒兩端光膠純YAG晶體棒的復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于純YAG晶體不對(duì)泵浦光或震蕩光吸收，可以有效冷卻介質(zhì)，減少熱效應(yīng)和熱透鏡效應(yīng)，另外在純YAG棒兩端鍍膜，對(duì)提高膜層的激光損傷閾值有明顯效果，從而大大提高了激光性能，降低了激光閾值(參見(jiàn)IEEE JournAl of Quantum Electronics，第6期，第34卷，1998年第1064頁(yè))。2002年D.Ehrentraut等人報(bào)道了用改進(jìn)的提拉法在純YAG管內(nèi)部生長(zhǎng)Yb摻雜的YAG(參見(jiàn)JournAl of CrystAl Growth第242期，2002年第375頁(yè))。1962年G.E.Devlin等人報(bào)道了用火焰法在CrAl2O3周圍生長(zhǎng)Al2O3(參見(jiàn)Appl.Opt.第1期，1962年第11頁(yè))。1998年V.N.Kurlov等人用導(dǎo)模法在TiAl2O3周圍生長(zhǎng)Al2O3(參見(jiàn)JournAl of CrystAl Growth第191期，1998年第520頁(yè))。
在先技術(shù)的復(fù)合激光材料，有明顯的缺點(diǎn)(1)通過(guò)光學(xué)耦合劑或者直接疊合(光膠)而成由于光學(xué)耦合劑與單晶體的失配，且純晶體與摻雜晶體間存在明顯的分界，光損耗大；(2)提拉法、火焰法和導(dǎo)模法直接生長(zhǎng)的復(fù)合單晶，晶體質(zhì)量差，存在大量的氣泡和包裹物等缺陷，重復(fù)性低，至今未在器件中實(shí)際應(yīng)用。
本發(fā)明采用水熱法制備Be3Al2Si6O18/CrBe3Al2Si6O18/Be3Al2Si6O18復(fù)合激光晶體材料。該方法的實(shí)質(zhì)是由一定晶面方向的CrBe3Al2Si6O18(摻雜濃度0.05～0.4atm％Cr2O3)襯底單晶片(厚度為0.3～30mm)以及生長(zhǎng)在其兩端的Be3Al2Si6O18單晶(厚度均為0.3～30mm)構(gòu)成的復(fù)合激光晶體材料。
本發(fā)明Be3Al2Si6O18/CrBe3Al2Si6O18/Be3Al2Si6O18復(fù)合激光晶體材料的制備方法，使高溫高壓的Be3Al2Si6O18水溶液達(dá)到一定的過(guò)飽和度，在CrBe3Al2Si6O18襯底晶片籽晶上，在與水溶液接觸的兩個(gè)界面上生長(zhǎng)等厚的Be3Al2Si6O18體單晶。具體地說(shuō)，就是采用高壓釜和與之配套的電阻爐，通過(guò)合理的溫場(chǎng)設(shè)計(jì)，使反應(yīng)腔內(nèi)的生長(zhǎng)區(qū)和溶解區(qū)的溫度合適，當(dāng)容器內(nèi)的溶液由于上下部之間的溫差而產(chǎn)生對(duì)流時(shí)，高溫區(qū)的飽和溶液被送到低溫區(qū)，從而形成過(guò)飽和狀態(tài)，使籽晶生長(zhǎng)。
本發(fā)明制備復(fù)合激光晶體的步驟如下<7>首先把一定數(shù)量和粒徑的助熔劑熔體法生長(zhǎng)的綠柱石晶體或按綠柱石化學(xué)計(jì)量比(3BeO.Al2O36SiO2)混合的BeO、Al2O3、SiO2粉體燒結(jié)塊放入黃金襯套5底部的溶解區(qū)2內(nèi)。
<8>按55％～75％的填充度(填充度指室溫下裝入高壓釜內(nèi)溶液所占高壓釜自由體積的百分?jǐn)?shù))加入堿金屬的礦化劑7和H2O混合溶液。
<9>使用黃金絲做成的梯形籽晶架6，按一定方向切好的籽晶片用黃金絲連接起來(lái)并固定在架子上。
<10>將籽晶架6緩緩放入黃金襯管內(nèi)并密封好再一起放入高壓釜中，再把高壓釜封徹底并緩緩放入電阻爐10中。
<11>電阻爐10升溫，調(diào)整溫度和壓力，控制所需要溫度和溫差，達(dá)到設(shè)計(jì)的高壓釜反應(yīng)腔內(nèi)外平衡溫度，并處于恒溫下生長(zhǎng)。生長(zhǎng)周期根據(jù)Be3Al2Si6O18/CrBe3Al2Si6O18/Be3Al2Si6O18復(fù)合材料中的Be3Al2Si6O18厚度尺寸要求而定。
<12>停爐，打開(kāi)保溫罩，高壓釜提出爐膛。取出籽晶架，取出晶體，用溫水將籽晶表面的溶液洗凈。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比，一方面，與在先技術(shù)光學(xué)耦合劑或直接疊合(光膠)相比，CrBe3Al2Si6O18與Be3Al2Si6O18直接生長(zhǎng)在一起，不存在晶格失配，沒(méi)有明顯界面，光損耗很小。另一方面，與在先提拉法、火焰法和導(dǎo)模法生長(zhǎng)的復(fù)合單晶相比，水熱法生長(zhǎng)的Be3Al2Si6O18/CrBe3Al2Si6O18/Be3Al2Si6O18兩種晶體間無(wú)明顯分界，晶體完整性好，重復(fù)性好。本發(fā)明適宜批量生產(chǎn)，滿足可調(diào)諧激光器件制造上的市場(chǎng)需求。


圖1是本發(fā)明制備復(fù)合激光晶體材料所用的生長(zhǎng)裝置剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明制備復(fù)合激光晶體材料所用的生長(zhǎng)裝置剖面示意圖。它由一臺(tái)外帶保溫罩的高溫高壓釜和與之配套的溫差井式電阻爐10組成。其結(jié)構(gòu)主要包括生長(zhǎng)區(qū)1，溶解區(qū)2，鋼帽3，鋼釜4。為了延長(zhǎng)高壓釜的壽命，防止酸性或堿性溶液在高溫高壓下對(duì)釜內(nèi)腔壁的腐蝕，使用黃金襯套5作為防護(hù)襯套并與高壓釜內(nèi)壁分開(kāi)。使用黃金絲做成的梯形籽晶架6，按一定方向切好的籽晶片用黃金絲連接起來(lái)并固定在籽晶架6上，每次一個(gè)梯形架可以掛數(shù)十片(視籽晶大小而定)。黃金襯套5內(nèi)腔有礦化劑7和H2O的混合溶液，Be3Al2Si6O18培養(yǎng)料8位于溶解區(qū)2內(nèi)，培養(yǎng)料8上部有帶孔的擋板9。
本發(fā)明用上述水熱法生長(zhǎng)方法制備Be3Al2Si6O18/CrBe3Al2Si6O18/Be3Al2Si6O18。所選用的水熱法生長(zhǎng)爐如圖1所示的裝置，生長(zhǎng)區(qū)1，溶解區(qū)2，鋼帽3，鋼釜4，腔體尺寸Ф38mm×700mm，黃金襯套5，襯套內(nèi)腔尺寸Ф30mm×690mm，管壁厚度0.8mm，黃金籽晶架和Be3Al2Si6O18培養(yǎng)料8。
<1>將1000克粒徑為4～8mm助熔劑熔體法生長(zhǎng)的綠柱石晶體或按綠柱石化學(xué)計(jì)量比混合的BeO、Al2O3、SiO2粉體燒結(jié)塊放入黃金襯套5底部的溶解區(qū)2內(nèi)。
<2>再分別按下表的兩種方案配制礦化劑和水的混合溶液，然后對(duì)于每種方案，分別按55％、65％、75％的填充度加入礦化劑7和水的混合溶液。
配制礦化劑和水的混合溶液

<3>使用黃金絲做成的梯形籽晶架6，按(0001)方向切好的Ф30×30×15mm的CrBe3Al2Si6O18(摻Cr濃度0.20atm％，Cr2O3)籽晶片兩端光學(xué)級(jí)拋光，在邊緣打小孔，用黃金絲連接小孔，并固定在架子上。
<4>將籽晶架緩緩放入黃金襯套5內(nèi)，并密封好再一起放入高壓釜內(nèi)，并緩緩放入電阻爐10中。
<5>電阻爐10升溫，調(diào)整溫度和壓力。溶解區(qū)溫度為700℃，生長(zhǎng)區(qū)溫度為660℃，溫差40℃；工作壓力1700atm；升溫速度10℃/h內(nèi)，高壓釜內(nèi)外溫度達(dá)到平衡，在此溫度下恒溫生長(zhǎng)15天。
<6>降溫、停爐，打開(kāi)保溫罩，高壓釜提出爐膛，取出晶體10塊，每塊晶體呈厚板狀，CrBe3Al2Si6O18兩端面Be3Al2Si6O18厚度均達(dá)8mm。用溫水晶體表面溶液，晶體晶瑩透明，無(wú)棉無(wú)裂，完整性好。
將所生長(zhǎng)的Be3Al2Si6O18/CrBe3Al2Si6O18/Be3Al2Si6O18復(fù)合激光晶體材料切割、滾圓、加工、鍍膜后制成全固態(tài)連續(xù)激光器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光閾值降低10％，激光輸出效率提高5％。
該復(fù)合激光晶體在調(diào)諧激光系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用背景。
權(quán)利要求
1.一種祖母綠和綠柱石復(fù)合激光晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于該方法的實(shí)質(zhì)是高溫高壓下的綠柱石(Be3Al2Si6O18)水溶液達(dá)到一定的過(guò)飽和度，在祖母綠(CrBe3Al2Si6O18)襯底晶片籽晶上，與水溶液接觸的兩個(gè)界面上生長(zhǎng)等厚的Be3Al2Si6O18體單晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的祖母綠和綠柱石復(fù)合激光晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于該方法是在一臺(tái)外帶保溫罩的高溫高壓釜和與之配套的溫差井式電阻爐10組成的裝置中進(jìn)行的，該裝置的結(jié)構(gòu)主要包括生長(zhǎng)區(qū)(1)、溶解區(qū)(2)、鋼帽(3)、鋼釜(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的祖母綠和綠柱石復(fù)合激光晶體的生長(zhǎng)方法，其特征在于該生長(zhǎng)方法的具體步驟如下<1>首先把一定數(shù)量和粒徑的助熔劑熔體法生長(zhǎng)的綠柱石晶體或按綠柱石化學(xué)計(jì)量比(3BeO.Al2O36SiO2)混合的BeO、Al2O3、SiO2粉體燒結(jié)塊放入黃金襯套(5)底部的溶解區(qū)(2)內(nèi)；<2>按55％～75％的填充度在高壓釜內(nèi)加入堿金屬的礦化劑(7)和H2O的混合溶液；<3>使用黃金絲做成梯形籽晶架(6)，按一定方向切好的籽晶片用黃金絲連接起來(lái)并固定在籽晶架(6)上；<4>將籽晶架(6)緩緩放入黃金襯套(5)內(nèi)并密封好再一起放入高壓釜中，再把高壓釜密封并緩緩放入電阻爐(10)中；<5>電阻爐(10)升溫，調(diào)整溫度和壓力，控制所需要溫度和溫差，達(dá)到設(shè)計(jì)的高壓釜反應(yīng)腔內(nèi)外平衡溫度，并處于恒溫下生長(zhǎng)，生長(zhǎng)周期根據(jù)Be3Al2Si6O18/CrBe3Al2Si6O18/Be3Al2Si6O18復(fù)合材料中的Be3Al2Si6O18厚度尺寸要求而定；<6>停爐，打開(kāi)保溫罩，將高壓釜提出爐膛。取出籽晶架(6)，取出晶體，用溫水將籽晶表面的溶液洗凈。
全文摘要
一種祖母綠和綠柱石復(fù)合激光晶體的生長(zhǎng)方法，該方法的實(shí)質(zhì)是高溫高壓下的綠柱石(Be
文檔編號(hào)C30B7/00GK1460735SQ0312893
公開(kāi)日2003年12月10日 申請(qǐng)日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者宋詞, 徐軍, 周圣明, 杭寅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所