1.2.3 YAG晶体的制备方法
(1)提拉法
提拉法[5]也称切克劳斯基法(Czochralsik简称CZ法),1917年由切克斯基建立的一种晶体生长方法,是指在合理的温场下,将装在籽晶杆上的籽晶下端放到熔体的原料中,籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下,一边旋转一边缓慢地向上提拉,经过缩颈、扩肩、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段,生长出几何形状及内在质量都合格的单晶过程,如图5所示。
图5提拉法示意图
1964年Linares首先用这个方法成功地生长出激光用的10mm×4mmYAG 晶体,从1965年到1968年,Cockayne曾发表过一系列文章,讨论用提拉法生长YAG的问题。90年代,国外用自动化晶体生长设备,已批量生产出φ75mm Nd:YAG晶体;不久,φ100mm 的Nd:YAG晶体又相继问世。图6为国内提拉法生长的Ce:YAG闪烁晶体。
图6 提拉法Ce:YAG闪烁晶体
提拉法的优点:
(a)在生长过程中,可以方便地观察晶体的生长情况。
(b)晶体在熔体的自由表面处生长,而不与坩埚相接触,这样能显著减小晶
体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核。
(c)可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺,得到完整的籽晶和所需取向
的晶体。
提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。
提拉法缺点:
(a)坩埚材料对晶体可能产生污染。
(b)熔体的液流作用、传动装置的振动和温度的波动都会对晶体的质量产生影响。
使用石墨加热的优点:价廉,易于制作,稳定。一般用钼坩埚,一次性投入
低。熔体液流平缓,易于生长无位错YAG晶体,但直径不大,据称成都东骏能
提供直径50mm的高质量YAG。
缺点:污染重,拉出晶体散射重,单程损耗大。解决办法:用定向石墨,或在石墨表面上复盖涂层,减少石墨挥发。需要抽高真空充气保护钼坩埚。钼坩埚不能多次使用。
使用感应加热法的优点:不需高真空,污染少,容易构建大温度梯度,生长大晶体。
缺点:Ir坩埚投入大,以3英寸YAG生长为例,需4-5kg铱料,合计130万左右。Ir损
耗大,每炉损耗约20克(约40%左右能回收)。
由于提拉法Nd:YAG 存在核芯,限制了晶体的实用尺寸,而且,为了保证晶体中Nd3+浓度的均匀性,需要控制析晶率(国外一般控制在20%,国内一般在35~40%),这就需制作更大容量的铱坩埚,必须增大投资。此外,提拉法要完全消除核心在技术上又存在很大的障碍。提拉法采用连续加料。
大多数YAG掺杂,分凝系数很小(比如掺Ce,K <0.1),会导致晶体中掺杂浓度不匀。为了提高YAG 中Nd 离子的浓度均匀性,Katsurayama 等在提垃法中采用了双坩埚和自动加料系统,在生长过程中不断向熔体中添加低浓度的粉料,使熔体中Nd 的浓度基本不变。最终获得了浓度均匀的Nd:YAG 晶体,其头尾浓度偏差在±0.02at%以内,同时将析晶率提高到30%。
(2)布里奇曼法
一种典型的熔体生长法,一般分为垂直和水平布里奇曼法两种。
一、垂直布里奇曼法
垂直布里奇曼法[5]又称为坩埚下降法是从熔体中生长晶体的一种方法。通常坩埚在结晶炉中下降,通过温度梯度较大的区域时,熔体在坩埚中,自下而上结晶为整块晶体。这个过程也可用结晶炉沿着坩埚上升方式完成。
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