CN1292106C - 铝酸钇晶体的生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种属于光电子材料技术领域的铝酸钇晶体的生长方法，本发明在YAP晶体生长后期，即晶体等径部分达到预定尺寸后，为避免晶体开裂，减慢提拉速度，缓慢升温使晶体直径逐渐变细，待晶体直径达到6-8mm时，然后恒温生长晶体一段时间，最后分六阶段缓慢降至室温，在降温过程中，若晶体已被拉出保温罩，则将提拉速度设置为零，若没有被拉出保温罩，则继续上引，为防止晶体被扭断，埚内余料凝固前需关掉晶转，开炉后取出坩埚，此时晶体与坩埚内余料粘在一起，将晶体与熔体在细径处分离，即可得到完整的YAP晶体。本发明简单易行，可操作性强，不但减少了晶体开裂的几率，而且提高了铝酸钇晶体的成品率和光学均匀性，节约了电能，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光电子材料技术领域的方法，具体地说，一种铝酸钇晶体的生长方法。
背景技术
YAP(铝酸钇)是一种性能优良的激光晶体基质材料，分子式为YAlO3，在YAP晶体结构中氧十二面体中的Y-O键长(2.65)大于YAG(钇铝石榴石)晶体中的Y-O键长(2.45)，这种基质结构有利于激活离子的掺入。且Y3+离子半径与稀土离子半径较为接近，因此掺入一定数目的Nd3+、Ho3+、Tm3+、Er3+离子取代YAP晶格中Y3+的格位，不会引起晶格发生大的畸变；同时YAP基质也可掺入过渡族离子(Fe3+、Co3+、Ni3+)作为激活剂制成激光晶体，这些过渡族离子取代YAP晶格中Al3+的格位。由于YAP晶体物理性质的各向异性，其热膨胀系数沿不同晶轴差异相当大，沿a、b、c轴热膨胀系数分别为4.2×10-6/℃，11.7×10-6/℃，5.1×10-6/℃，故YAP系列晶体在较大的温度梯度下极易开裂。采用提拉法生长晶体时，当晶体尺寸达到预定长度后，常常采用快速提拉法或手动提拉法使晶体脱离熔体。但是晶体在脱离熔体的瞬间将受到很大的热冲击，易使晶体出现开裂。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号：1544711，发明名称为：硅酸钆单晶体的生长方法，该方法在硅酸钆晶体生长后期，采取一定的收尾工艺使晶体的尾部与肩部形状对称，可减少晶体开裂的几率。但此方法实际操作起来较为复杂，且激光棒的选取是在晶体的等径部分，尾部形状漂亮与否，其实际意义不大。另外，此专利虽也提到了缓慢降温，但并没有给出具体的操作方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种铝酸钇激光晶体的生长方法，使其解决晶体容易开裂的问题，提高晶体成品率。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在提拉法生长中，采取下列收尾降温程序：在YAP晶体生长后期，即晶体等径部分达到预定尺寸后，为避免晶体开裂，减慢提拉速度，由1.5mm/h降为1.0mm/h，缓慢升温使晶体直径逐渐变细，待晶体直径达到6-8mm时，然后恒温生长一段时间，长度为8-10mm，最后分六阶段缓慢降至室温，在降温过程中，若晶体已被拉出保温罩，则将提拉速度设置为零，若没有被拉出保温罩，则继续上引，为防止晶体被扭断，埚内余料凝固前需关掉晶转，开炉后取出坩埚，此时晶体与坩埚内余料粘在一起，将晶体与熔体在细径处分离，即可得到完整的YAP晶体。
本发明具体步骤如下：
(1)采用中频感应加热提拉法生长铝酸钇晶体，发热体为铱坩埚，原料为Al2O3(99.995％)，Y2O3(99.999％)，掺杂为高纯的稀土氧化物Tm2O3(99.999％)或Nd2O3(99.999％)。原料经称配、研混均匀后，在液压机上压紧成块并在1300℃高温下烧结发生固相反应，烧结好的原料置于铱坩埚中，并将以下方向：[100]、[010]或[001]的YAP籽晶装入籽晶夹头中，一并装入单晶炉膛内；
(2)单晶炉抽高真空，用氧化锆作保温罩及保温材料，采用惰性气体保护，生长温度1900℃，提拉速度1.5mm/h，晶体转速25rpm，并采用蓝宝石片及刚玉片以营造更好的保温***，提供适合晶体生长的热场。
(3)严格执行烤晶、下种、缩颈、缓慢放肩、收肩、均衡控制等径阶段，尤其是等径阶段，即使直径有变化，也要控制成渐变的，避免因晶体直径突变造成内部应力集中而形成开裂。
(4)晶体等径部分达到预定尺寸后，缓慢收尾。为避免晶体出现开裂，减慢提拉速度，由1.5mm/h降为1.0mm/h，缓慢升温使晶体直径逐渐变细，待晶体直径达到6-8mm时，恒温生长晶体长度8-10mm。
(5)分六阶段缓慢降至室温。在降温过程中，若晶体已被拉出保温罩，则将提拉速度设置为零；若没有被拉出保温罩，则继续上引。为防止晶体被扭断，埚内余料凝固前需关掉晶转。开炉后取出坩埚，此时晶体与坩埚内余料粘在一起，将晶体与熔体在细径处分离。具体降温方法如下：
①15℃/h，降温持续6h，1900℃-1810℃；
②20℃/h，降温持续9h，1810℃-1630℃；
③25℃/h，降温持续10h，1630℃-1380℃；
④30℃/h，降温持续12h，1380℃-1020℃；
⑤38℃/h，降温持续15h，1020℃-450℃；
⑥55℃/h，降温持续8h，450℃-室温。
降温过程共计60h，降温速度15-55℃/h。如果降温速度过快，即使原来晶体很好，也易出现开裂。若一直采用恒定慢速降温，则浪费电能，增加生产成本。
晶体生长后期采用上述的收尾和降温程序，大大减少了晶体开裂的几率。分析认为是：收尾程序避免了晶体生长结束时快速提拉对晶体造成的热冲击，减小了晶体内的温度梯度，有效改善了其热场，使晶体在有利于避免开裂的热场条件下生长；另一方面，多阶段的降温程序，减小了发生在生长腔内冷热气氛的对流，始终保持晶体有合适的温度梯度，克服了晶体严重开裂的现象。同时缓慢降温也是一种退火方法，不但可以减少晶体开裂的几率，也可提高晶体的光学均匀性。故采用上述方法后，显著减少了晶体开裂现象。在这些条件下我们能成功生长出不开裂、完整性好的YAP晶体。
本发明克服了原来YAP晶体易造成开裂缺陷的问题，简单易行，可操作性强，不但减少了晶体开裂的几率，而且提高了铝酸钇晶体的成品率和光学均匀性，节约了电能，降低了生产成本。
具体实施方式
实施例1：感应加热提拉法生长b轴Tm:YAP晶体。
利用中频感应加热，在Φ66×45mm的铱金坩埚中，放入压成片的Tm:YAP原料590g，炉体抽高真空后充入99.999％的高纯氮气作为保护气体，采用提拉法，生长b轴晶体。生长速率1.5mm/h，转速25rpm，控制凸界面生长。当晶体等径部分达到70mm时，直接手动快速提拉晶体使其与熔体脱离，获得一根透明的b轴Tm:YAP晶体，重量为200g。晶体呈棕黄色，出现局部开裂现象。
实施例2：多阶段缓慢降温感应加热提拉法生长b轴Tm:YAP晶体。
利用中频感应加热，在Φ66×45mm的铱金坩埚中，放入压成片的Tm:YAP原料590g，炉体抽高真空后充入99.999％的高纯氮气作为保护气体，采用提拉法，选用b轴YAP晶体作籽晶，生长Tm:YAP晶体。生长速率1.5mm/h，转速25rpm，控制凸界面生长。当晶体等径部分达到70mm时，提拉速度减慢至1.0mm/h，缓慢升温使晶体直径逐渐变细，待晶体直径达到6-8mm时，然后恒温生长一段时间，长度8-10mm。最后分六阶段缓慢降至室温。此时晶体未拉出保温罩，继续上引，等到余料接近凝固状态时，停止晶转。开炉后取出坩埚，将晶体与熔体在细径处分离，获得一根尺寸为Φ21×100mm的b轴Tm:YAP晶体，重量为250g。晶体呈棕黄色，未见开裂现象，完整性好，散射颗粒少，有较好的光学性能。
实施例3：多阶段缓慢降温感应加热提拉法生长c轴Tm:YAP晶体。
利用中频感应加热，在Φ66×45mm的铱金坩埚中，放入压成片的Tm:YAP原料590g，炉体抽高真空后充入99.999％的高纯氮气作为保护气体，采用提拉法，选用c轴YAP晶体作籽晶，生长Tm:YAP晶体。生长速率1.5mm/h，转速25rpm，控制凸界面生长。当晶体等径部分达到75mm时，减慢提拉速度，缓慢升温使晶体直径逐渐变细，待晶体直径达到6-8mm时，然后恒温生长一段时间，长度8-10mm。最后分六阶段缓慢降至室温。此时晶体未拉出保温罩，继续上引，等余料接近凝固状态时，停止晶转。开炉后取出坩埚，将晶体与熔体在细径处分离，获得一根尺寸为Φ21×110mm的c轴Tm:YAP晶体，重量为270g。晶体呈棕黄色，未见开裂现象，完整性好，散射颗粒少，有较好的光学性能。
实施例4：多阶段缓慢降温感应加热提拉法生长b轴Nd:YAP晶体。
利用中频感应加热，在Φ66×45mm的铱金坩埚中，放入压成片的Nd:YAP原料590g，炉体抽高真空后充入99.999％的高纯氮气作为保护气体，采用提拉法，选用b轴YAP晶体作籽晶，生长Nd:YAP晶体。生长速率1.5mm/h，转速25rpm，控制凸界面生长。当晶体等径部分达到70mm时，减慢提拉速度，缓慢升温使晶体直径逐渐变细，待晶体直径达到6-8mm时，然后恒温生长一段时间，长度8-10mm。最后分六阶段缓慢降至室温。此时晶体未拉出保温罩，继续上引，等余料接近凝固状态时，停止晶转。开炉后取出坩埚，将晶体与熔体在细径处分离，获得一根尺寸为Φ21×100mm的b轴Nd:YAP晶体，重量为250g。晶体为淡紫色，未见开裂现象，完整性好，散射颗粒少。
实施例5：感应加热提拉法生长纯YAP晶体。
利用中频感应加热，在Φ66×45mm的铱金坩埚中，放入压成片的YAP原料590g，炉体抽高真空后充入99.999％的高纯氮气作为保护气体，采用提拉法，生长b轴晶体。生长速率1.5mm/h，转速25rpm，控制凸界面生长。当晶体等径部分达到80mm时，减慢提拉速度，缓慢升温使晶体直径逐渐变细，待晶体直径达到6-8mm时，然后恒温生长一段时间，长度8-10mm。最后分六阶段缓慢降至室温。此时晶体将被拉出保温罩，停止上引。等余料接近凝固状态时，停止晶转。开炉后取出坩埚，将晶体与熔体在细径处分离，获得尺寸为Φ21×120mm的b轴纯YAP晶体，重量为280g。晶体未见开裂现象，完整性好，散射颗粒少。
Claims (7)
1.一种铝酸钇晶体的生长方法，其特征在于，在YAP晶体生长后期，即晶体等径部分达到预定尺寸后，减慢提拉速度，缓慢升温使晶体直径逐渐变细，待晶体直径达到6-8mm时，然后恒温生长，最后分六阶段缓慢降至室温，在降温过程中，若晶体已被拉出保温罩，则将提拉速度设置为零，若没有被拉出保温罩，则继续上引，埚内余料凝固前需关掉晶转，开炉后取出坩埚，此时晶体与坩埚内余料粘在一起，将晶体与熔体在细径处分离，即可得到完整的YAP晶体，所述的降温，是指：降温过程共计60小时，降温速度15-55℃/小时，具体方法如下：①15℃/h，降温持续6h，1900℃-1810℃；②20℃/h，降温持续9h，1810℃-1630℃；③25℃/h，降温持续10h，1630℃-1380℃；④30℃/h，降温持续12h，1380℃-1020℃；⑤38℃/h，降温持续15h，1020℃-450℃；⑥55℃/h，降温持续8h，450℃-室温。
2.根据权利要求1所述的铝酸钇晶体的生长方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)采用中频感应加热提拉法生长铝酸钇晶体，发热体为铱坩埚，原料为Al2O3和Y2O3，掺杂为Tm2O3或Nd2O3，原料经称配、研混均匀后，在液压机上压紧成块并在1300℃高温下烧结发生固相反应，烧结好的原料置于铱坩埚中，并将以下方向：[100]、[010]或[001]的YAP籽晶装入籽晶夹头中，一并装入单晶炉膛内；
(2)单晶炉抽高真空，用氧化锆作保温罩及保温材料，采用惰性气体保护，生长温度1900℃，提拉速度1.5mm/h，晶体转速25rpm，并采用蓝宝石片及刚玉片以营造更好的保温***，提供适合晶体生长的热场；
(3)严格执行烤晶、下种、缩颈、缓慢放肩、收肩、均衡控制等径阶段；
(4)晶体等径部分达到预定尺寸后，缓慢收尾，为避免晶体出现开裂，减慢提拉速度，缓慢升温使晶体直径逐渐变细，待晶体直径达到6-8mm时，恒温生长晶体一段时间；
(5)分六阶段缓慢降至室温：在降温过程中，若晶体已被拉出保温罩，则将提拉速度设置为零，若没有被拉出保温罩，则继续上引，埚内余料凝固前需关掉晶转，开炉后取出坩埚，此时晶体与坩埚内余料粘在一起，将晶体与熔体在细径处分离。
3.根据权利要求2所述的铝酸钇晶体的生长方法，其特征是，所述的Al2O3纯度为99.995％，Y2O3纯度为99.999％。
4.根据权利要求2所述的铝酸钇晶体的生长方法，其特征是，所述的稀土氧化物是指：纯度为99.999％ Tm2O3或纯度为99.999％ Nd2O3。
5.根据权利要求1或2所述的铝酸钇晶体的生长方法，其特征是，所述的提拉速度，由1.5mm/h降为1.0mm/h。
6.根据权利要求1或2所述的铝酸钇晶体的生长方法，其特征是，所述的恒温生长是指晶体长度达到8-10mm。
7.根据权利要求2所述的铝酸钇晶体的生长方法，其特征是，所述的均衡控制等径阶段是指：即使直径有变化，也要控制成渐变的，避免因晶体直径突变造成内部应力集中而形成开裂。
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