CN113957516B - 一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置及使用方法 - Google Patents

一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置及使用方法，包括导轨和放置于导轨上的托盘，在导轨和托盘之间设有缓冲板；在托盘上表面沿长度方向间隔均匀铺设有多根横置的钨丝线，以使待放置的坩埚通过钨丝线放置在托盘上，导轨由两根导轨杆和均匀安装在两导轨杆之间的多块横板构成，位于两端的横板表面分别间隔均匀固定安装有多个定位柱；在缓冲板和托盘表面彼此一一对应开设有供对应定位柱穿过的定位孔。本发明有效解决了移动导轨时托盘的稳定性，避免托盘与坩埚底部粘接，同时减少托盘与导轨变形，延长托盘与导轨寿命，提高了晶体生长质量。

Description

一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置及使用方法
技术领域
本发明涉及晶体材料制备技术领域，具体涉及一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置及使用方法。
背景技术
大尺寸板条Yb:YAG/Nd:YAG激光晶体是目前高功率固体激光器主要使用的增益介质，应用于激光武器、激光切割等领域，发展高质量大尺寸Yb:YAG/Nd:YAG激光晶体对于国防军工、工业生产等有着重要的意义。而水平定向结晶法是适用于大尺寸板条激光晶体的生长晶体方法，利用此方法生长的激光晶体有着成本较低、晶体质量高、无核心侧心、加工余量小等优点。
激光晶体对晶体品质有着严苛的要求，大功率激光器更是需要无任何裂纹、云层、气泡、包裹体、闪射颗粒等缺陷的高品质激光晶体。目前采用的方案中，托盘直接置于导轨上，在导轨进行高温缓慢移动时托盘易与导轨发生相对位移，使坩埚偏离中心轴，造成温场不对称，严重影响晶体质量，同时坩埚也直接置于托盘上，易在高温下与托盘粘连，增大晶体应力，引起晶体开裂，也不利于生长晶体后坩埚与托盘的分离。另外，因为坩埚处于托盘中部，托盘与导轨受力不均匀，多次生长后易出现明显翘曲变形。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置及使用方法，有效解决移动导轨时托盘的稳定性，避免托盘与坩埚底部粘接，同时减少托盘与导轨变形，延长托盘与导轨寿命，提高了晶体生长质量。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置，包括导轨和放置于导轨上的托盘，在导轨和托盘之间设有缓冲板；在托盘上表面沿长度方向间隔均匀铺设有多根横置的钨丝线，以使待放置的坩埚通过钨丝线放置在托盘上。
进一步地，所述导轨由两根导轨杆和均匀安装在两导轨杆之间的多块横板构成，位于两端的横板表面分别间隔均匀固定安装有多个定位柱；在缓冲板和托盘表面彼此一一对应开设有供对应定位柱穿过的定位孔。
进一步地，导轨与缓冲板、缓冲板与托盘、托盘与钨丝线、钨丝线与坩埚均采用不同种类材料制作，以抑制同种材料间高温下发生粘接。
进一步地，导轨两端的横板表面分别间隔均匀固定安装的定位柱为3～5个，每个定位柱高度为5～10mm，直径为3～6mm。
进一步地，相邻两根钨丝线间隔为10～30mm，每根钨丝线直径为0.3～1mm。
进一步地，缓冲板厚度为0.5～2mm，长、宽与托盘底部尺寸相对应。
进一步地，定位孔相对定位柱尺寸为正公差，公差不大于0.2mm。
采用前面所述的一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置的使用方法，在每次晶体生长完毕，从晶体炉内取出托盘装置；将托盘和缓冲板从导轨上取下，然后将缓冲板翻面安装在导轨上，使缓冲板原来的上表面朝下，再在缓冲板上安装托盘；重新将钨丝线放置于托盘上表面；在托盘上放置装有原料的坩埚后即可进行下一次晶体的生长。
进一步地，托盘装置从晶体炉内取出后，如果钨丝线有弯曲，则将弯曲的钨丝线拉直后放置于托盘上表面或者更换新的钨丝线。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、导轨由两根导轨杆和均匀安装在两导轨杆之间的多块横板构成，以增加其强度，并有效抑制了高温下导轨变形。
2、导轨与托盘间设置有缓冲板，在一次生长晶体托盘和缓冲板发生轻微变形后，对缓冲板进行翻面操作再进行下一次生长，缓冲板翘曲的部分与托盘翘曲处相对，会使此处承受更大的应力，产生与上一次生长反向的应变，由此消除上一次的变形效果，如此反复使用，可以保持托盘和缓冲板的长期平整。
3、托盘与坩埚间有钨丝线作为铺垫，避免了托盘与坩埚的直接接触、粘接。而钨丝线与坩埚间为线接触，且钨丝线可以在高温下通过部分变形来消除热胀冷缩、原料熔化等带来的应力变化，这样有效地减少了坩埚以及晶体在生长过程中所受到的应力，有利于晶体高质量生长。
4、导轨与缓冲板、缓冲板与托盘、托盘与钨丝线、钨丝线与坩埚均为不同种类的材料，有效抑制了同种材料间高温下易发生粘接现象，更好地避免了相邻组件间的粘接。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明整体结构的示意图。
图中：导轨1、横板2、定位柱3、缓冲板4、托盘5、定位孔6、钨丝线7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本具体实施方式中的一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置，包括导轨1和放置于导轨上的托盘5，在导轨1和托盘5之间设有缓冲板4；在托盘5上表面沿长度方向间隔均匀铺设有多根横置的钨丝线7，以使待放置的坩埚通过钨丝线放置在托盘上。
本方案中，在导轨1与托盘5之间设置缓冲板4，在完成一次生长晶体托盘和缓冲板发生轻微变形后，对缓冲板进行翻面操作再进行下一次生长晶体，缓冲板4翘曲的部分与托盘5翘曲处相对，会使此处承受更大的应力，产生与上一次生长晶体反向的应变，由此消除上一次的缓冲板4变形，如此反复使用，可以保持托盘5和缓冲板4之间长期平整。托盘与坩埚间有钨丝线7作为铺垫，避免了托盘与坩埚的直接接触、产生粘接现象。而钨丝线与坩埚间为线接触，且钨丝线7可以在高温下通过部分变形来消除热胀冷缩、原料熔化等带来的应力变化，这样有效地减少了坩埚以及晶体在生长过程中所受到的应力，有利于晶体高质量生长。
具体实施时，导轨1由两根导轨杆和均匀安装在两导轨杆之间的多块横板2构成，位于两端的横板2表面分别间隔均匀固定安装有多个定位柱3；在缓冲板2和托盘5表面彼此一一对应开设有供对应定位柱3穿过的定位孔6。
这样，通过在两导轨杆之间间隔均匀安装多块横板2，以增加其强度，并有效抑制了高温下导轨的变形。通过定位柱3将缓冲板4和托盘5与导轨1进行定位，避免了在高温下缓慢移动导轨时托盘发生相对位移，使坩埚偏离中心轴，造成温场不对称，影响生长晶体质量。
具体实施时，为了有效防止导轨1、缓冲板2、托盘5、钨丝线7和坩埚在高温下相互粘接，导轨与缓冲板、缓冲板与托盘、托盘与钨丝线、钨丝线与坩埚均采用不同种类材料制作，以抑制同种材料间高温下发生粘接，更好地避免了相邻组件的粘接。本实施例中，导轨1材质为钼，缓冲板4材质为钨，托盘5材质为钼，钨丝线7材质为钨，坩埚材质为钼。
具体实施时，导轨1两端的横板2表面分别间隔均匀固定安装的定位柱为3～5个，每个定位柱高度为5～10mm，直径为3～6mm。本方案中示出的定位柱为3个，呈三角形固定安装在对应横板表面，定位柱安装个数也可根据实际需要而定。
具体实施时，相邻两根钨丝线7间隔为10～30mm，每根钨丝线直径为0.3～1mm。
具体实施时，缓冲板4厚度为0.5～2mm，长、宽与托盘5底部尺寸相对应。
具体实施时，由于材料热胀冷缩，为了在生长晶体后方便将缓冲板4和托盘5从导轨1上取下，定位孔6相对定位柱3尺寸为正公差，公差不大于0.2mm。
采用前面所述的一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置的使用方法，在每次晶体生长完毕后，从晶体炉内取出托盘装置；将托盘和缓冲板从导轨上取下，然后将缓冲板翻面安装在导轨上，使缓冲板原来的上表面朝下，再在缓冲板上安装托盘；重新将钨丝线放置于托盘上表面；在托盘上放置装有原料的坩埚后即可进行下一次晶体的生长。
本方案中，在完成一次生长晶体托盘和缓冲板发生轻微变形后，对缓冲板进行翻面操作再进行下一次生长晶体，缓冲板翘曲的部分与托盘翘曲处相对，会使此处承受更大的应力，产生与上一次生长晶体反向的应变，由此消除上一次的缓冲板变形，如此反复使用，可以保持托盘和缓冲板之间长期平整。托盘与坩埚间有钨丝线作为铺垫，避免了托盘与坩埚的直接接触、产生粘接现象。而钨丝与坩埚间为多线线接触，且钨丝线可以在高温下通过部分变形来消除热胀冷缩、原料熔化等带来的应力变化，这样有效地减少了坩埚以及晶体在生长过程中所受到的应力，有利于晶体高质量生长。
具体实施时，在托盘装置从晶体炉内取出后，如果钨丝线有弯曲，则将弯曲的钨丝线拉直后放置于托盘上表面或者更换新的钨丝线。
以下结合几个实施例以帮助进一步理解本发明。
实施例1
利用一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置生长Nd：YAG晶体。
导轨由两根圆柱型钼棒组成，两根钼棒间有4根横板，在导两端的横板上各有3个定位柱，定位柱高度5mm，直径4mm。缓冲板厚度为1mm，长500mm，宽120mm。托盘底部尺寸为500×120mm，托盘壁高50mm。在缓冲板与托盘的相应位置有与定位柱大小一致的定位孔，定位孔相对定位柱尺寸为正公差，公差不大于0.2mm。钨丝线直径为0.5mm。
使用时，先将缓冲板由竖直方向安装到导轨上，确保横板上每个定位柱穿入缓冲板上对应定位孔，缓冲板稳定无法相对导轨水平移动，然后将托盘由竖直方向安装到缓冲板上方，确保横板上每个定位柱穿入托盘上对应定位孔，托盘稳定无法相对导轨水平移动。再将多条钨丝线水平放置于托盘上，相邻钨丝线间距为15mm，将装有2kg掺杂1%的Nd:YAG原料的舟型坩埚放置于钨丝线上，坩埚尺寸为200×100×35mm。将导轨安装于晶体炉内，抽取真空，进行升温及生长晶体。晶体生长完成后降温取出晶体、托盘、缓冲板、钨丝线以及导轨，晶体尺寸为200×100×26mm，晶体质量完好，无开裂、云层、闪射颗粒等缺陷。导轨基本无翘曲，翘曲度小于1度，托盘、缓冲板翘曲度较小，小于3度。将缓冲板翻面、更换钨丝线后重复该生长晶体过程，取出晶体及托盘、导轨，晶体质量完好，无开裂、云层、闪射颗粒等缺陷。导轨、托盘、缓冲板均基本无翘曲，翘曲度均小于1度。重复该过程8次，导轨、托盘、缓冲板均基本无翘曲，翘曲度均小于2度。
实施例2
利用一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置生长大尺寸Yb：YAG晶体。
导轨由两根圆柱型钼棒组成，两根钼棒间有5根横板，在导轨两端的横板上各有4个定位柱，定位柱高度8mm，直径5mm。缓冲板厚度为1mm，长600mm，宽220mm。托盘底部尺寸为600×220mm，托盘壁高60mm。在缓冲板与托盘的相应位置有与定位柱大小一致的定位孔，定位孔相对定位柱尺寸为正公差，公差不大于0.2mm。钨丝线直径为0.8mm。
使用时，先将缓冲板由竖直方向安装到导轨上，确保横板上每个定位柱穿入缓冲板上对应定位孔，缓冲板稳定无法相对导轨水平移动，然后将托盘由竖直方向安装到缓冲板上方，确保横板上每个定位柱穿入托盘上对应定位孔，托盘稳定无法相对导轨水平移动。
再将多根钨丝线水平放置于托盘上，钨丝线间间隔为10mm，将装有5.8kg掺杂1%的Yb:YAG原料的舟形坩埚放置于钨丝线上，坩埚尺寸为260×180×45mm。将导轨安装于晶体炉内，抽取真空，进行升温及生长晶体。晶体生长完成后降温取出晶体、托盘、缓冲板、钨丝线以及导轨，晶体尺寸为260×180×32mm，晶体质量完好，无开裂、云层、闪射颗粒等缺陷。导轨基本无翘曲，翘曲度小于1度，托盘、缓冲板翘曲度较小，约为8度。将缓冲板翻面、更换钨丝线后重复该生长晶体过程，取出晶体及托盘、导轨，晶体质量完好，无开裂、云层、闪射颗粒等缺陷。导轨、托盘、缓冲板均基本无翘曲，翘曲度小于1度。重复该过程4次，导轨翘曲度约为2度，托盘约为4度，缓冲板约为4度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的改变仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置，包括导轨和放置于导轨上的托盘，其特征在于：在导轨和托盘之间设有缓冲板；在托盘上表面沿长度方向间隔均匀铺设有多根横置的钨丝线，以使待放置的坩埚通过钨丝线放置在托盘上；
所述导轨由两根导轨杆和均匀安装在两导轨杆之间的多块横板构成，位于两端的横板表面分别间隔均匀固定安装有多个定位柱；在缓冲板和托盘表面彼此一一对应开设有供对应定位柱穿过的定位孔。
2.根据权利要求1所述的一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置，其特征在于：导轨与缓冲板、缓冲板与托盘、托盘与钨丝线、钨丝线与坩埚均采用不同种类材料制作，以抑制同种材料间高温下发生粘接。
3.根据权利要求1所述的一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置，其特征在于：导轨两端的横板表面分别间隔均匀固定安装的定位柱为3～5个，每个定位柱高度为5～10mm，直径为3～6mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置，其特征在于：相邻两根钨丝线间隔为10～30mm，每根钨丝线直径为0.3～1mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置，其特征在于：缓冲板厚度为0.5～2mm，长、宽与托盘底部尺寸相对应。
6.根据权利要求1所述的一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置，其特征在于：定位孔相对定位柱尺寸为正公差，公差不大于0.2mm。
7.权利要求1所述的一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置的使用方法，其特征在于：每次晶体生长完毕，从晶体炉内取出托盘装置；将托盘和缓冲板从导轨上取下，然后将缓冲板翻面安装在导轨上，使缓冲板原来的上表面朝下，再在缓冲板上安装托盘；重新将钨丝线放置于托盘上表面；在托盘上放置装有原料的坩埚后即可进行下一次晶体的生长。
8.根据权利要求7所述的一种用于水平定向结晶法生长晶体的托盘装置的使用方法，其特征在于：托盘装置从晶体炉内取出后，如果钨丝线有弯曲，则将弯曲的钨丝线拉直后放置于托盘上表面或者更换新的钨丝线。
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