專利名稱：摻鈥鋁酸釔鈣激光晶體的生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子材料，特別是一種摻鈥鋁酸釔鈣(以下簡稱為Ho:CaYA104)激 光晶體的生長方法。
背景技術(shù)：
固體激光器在精確測距，光譜研究，工業(yè)切割，通訊，醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 激光晶體作為增益介質(zhì)，是固體激光器的重要核心部件。激光晶體一般由發(fā)光中心和基質(zhì) 兩部分組成。性能良好的激光晶體，除了發(fā)光中心的選擇外，離不開合適的基質(zhì)，以及優(yōu)異 的晶體生長方法。鋁酸釔鈣CaYAlO4具有K2NiF4同型結(jié)構(gòu)，是一種很好的激光晶體基質(zhì)材料。自20 世紀(jì)70年代以來，先后相繼有Nd: CaYAlO4, Er CaYAlO4, TmiCaYAlO4等激光晶體材料相關(guān)性 能的研究報告。2010年，Haohai Yu,Xiaodong Xu等人報道了 Nd:CaYAlO4激光晶體實(shí)現(xiàn)連 續(xù)和調(diào)Q激光輸出(參見《Optics Letters)), 35 (2010), 2666-2668) 0該實(shí)驗(yàn)報道了連續(xù)激 光最高功率5. 16W，調(diào)Q最窄脈寬5. 7ns，功率15. 5kW。稀土元素Ho作為激光晶體的發(fā)光 中心，有著與Nd，Yb等發(fā)光中心不一樣波長的激光輸出，在近紅外領(lǐng)域具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。 基于激光介質(zhì)CaYAlO4良好的性能，摻雜Ho的Ho = CaYAlO4激光晶體，能在光電子領(lǐng)域得到 重要應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種HcKCaYAlO4激光晶體的生長方法。本發(fā)明采用提拉 法生長大尺寸Ho CaYAlO4激光晶體，其具有很好的力學(xué)，光學(xué)，熱學(xué)性能。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種摻鈥鋁酸釔鈣激光晶體的生長方法，摻鈥鋁酸釔鈣激光晶體的化學(xué)式為 HcvCaYhAlO4,其特點(diǎn)征在于該方法包括下列步驟(1)HoxICaY1^xAlO4晶體用原料的制備初始原料采用化學(xué)試劑純度均為99. 999%的CaCO3 J2O3、Ho2O3和Al2O3粉料，相應(yīng) 的原料的化學(xué)計量比為2 (1-x) χ 1，其中χ的取值范圍為0.004 0.02 ；選定χ的 具體值后，按所述的化學(xué)計量比分別稱量CaCO3, Y2O3jHo2O3和Al2O3，然后放入研缽中混合10 小時，用有機(jī)玻璃模具盛裝混合均勻的料，在液壓機(jī)上壓成塊，放入氧化鋁坩堝，在1000 1200°C高溫下燒結(jié)5 10小時，使其發(fā)生固相反應(yīng)，合成HcKCaYAlO4多晶原料；(2)將所述的HcKCaYAlO4多晶原料放入銥坩堝，置于提拉爐內(nèi)，采用提拉法生長 Ho CaYAlO4單晶，所述的提拉法生長Ho CaYAlO4單晶的具體步驟是①將所述的多晶料放入銥坩堝，置于提拉爐內(nèi)，裝爐完后爐內(nèi)抽真空1 10Pa， 然后充入0. 11 0. 13MPa高純氮?dú)?，采用中頻感應(yīng)加熱銥坩堝，融化坩堝內(nèi)多晶料，并在 1820 1900°C范圍內(nèi)保溫0. 5 2小時，使坩堝內(nèi)熔體分布均勻；②采用端面法線方向?yàn)閇100]或W01]的CaYAlO4或Ho:CaYA104單晶棒作為籽晶，籽晶方向誤差范圍士 5° ；③將熔體溫度降為1810°C開始晶體生長將籽晶與熔體接觸，依次經(jīng)過縮頸，放 肩，等徑三個步驟生長晶體，整個生長過程中，拉速為0. 5 2mm/h，轉(zhuǎn)速為5 15rpm，當(dāng)晶 體長度達(dá)到預(yù)定尺寸，將晶體從熔體中拉脫；④以20 30°C /h的降溫速率，提拉爐內(nèi)晶體逐漸降至室溫。所述的籽晶成分為CaYAlO4單晶或摻雜Ho = CaYAlO4單晶棒，籽晶方向?yàn)?[100] 士5°，或
士5°。本發(fā)明的特點(diǎn)是采用提拉法成功生長出質(zhì)量優(yōu)良的HcKCaYAlO4晶體，無宏觀缺 陷，晶體尾部呈現(xiàn)為微凸界面。其中采用[100]方向籽晶，沿著晶體生長的側(cè)面方向，兩個 (001)晶面完全表現(xiàn)出來，這也更證明本發(fā)明有效可行。


圖1是實(shí)施例1的Ho CaYAlO4晶體的偏振吸收光譜圖2是實(shí)施例1的Ho CaYAlO4晶體的非偏振熒光譜圖3是實(shí)施例3的Ho CaYAlO4晶體的偏振吸收光譜圖4是實(shí)施例3的Ho CaYAlO4晶體的非偏振熒光譜
具體實(shí)施例方式下面列舉幾個實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1.提拉法生長Hotl.01 CaY0.99A104單晶，包括下列步驟①提拉法生長Hotl. 01 CaY0.99A104晶體用的原料的制備選取x = 0. 01，將化學(xué)試劑純度均為99. 999 %的CaCO3, Y2O3, Ho2O3和Al2O3按 2 0.99 0.01 1的化學(xué)計量比分別稱取，然后放入研缽中混合10小時。用有機(jī)玻璃 模具盛裝混合均勻的料，在液壓機(jī)上壓成塊，放入氧化鋁坩堝，在1200°C高溫下燒結(jié)10小 時，使其發(fā)生固相反應(yīng)，合成Hoa οι CaY0.99A104多晶。②將所述的H0atll = CaYa99AlO4多晶再放入銥坩堝，置于提拉爐內(nèi)，采用提拉法生長 HoO. 01:CaYO. 99A104 單晶。所述的提拉法生長H0atll = CaYa99AlO4單晶的具體步驟是①所用銥坩堝直徑為70mm，高度為40mm，壁厚3mm。把所述的多晶料放入銥坩堝， 置于提拉爐內(nèi)，裝爐完后爐內(nèi)抽真空lPa，然后充入0. IlMI^a高純氮?dú)?。采用中頻感應(yīng)加熱 銥坩堝，融化坩堝內(nèi)多晶料，并在1820 1900°C范圍內(nèi)保溫1小時，使得坩堝內(nèi)熔體分布均 勻。②采用端面法線方向?yàn)閇100]的CaYAlO4單晶棒作為籽晶，籽晶長度約為5cm。③將熔體溫度降為1810°C，將籽晶與熔體接觸，依次經(jīng)過縮頸，放肩，等徑三個步 驟生長晶體。整個生長過程，拉速為0.5mm/h，轉(zhuǎn)速為lOrpm。當(dāng)晶體長度達(dá)到預(yù)定尺寸，將 晶體從熔體中拉脫。④以20°C /h的降溫速率，提拉爐內(nèi)晶體逐漸降至室溫。整個生長過程參數(shù)如表1 中實(shí)施例1所示。HoQ.Q1:CaYQ.99A104單晶呈淡黃色，完整不開裂，兩個(OOl)晶面完整呈現(xiàn)。晶體長約35mm，直徑約23mm。從晶體尾部可以看出，生長過程中，固液界面為微凸的平界 將上述Ho。01 CaY0.99A104單晶定向，切出10 X 9 X Imm3薄片。薄片光學(xué)拋光后，采用 Lambda 900分光光度計測試其室溫下偏振吸收譜。圖1為本實(shí)施例生長的HoaC11 = CaYa99AlO4 單晶在薄片在300 2200nm波段的偏振吸收譜。利用氙燈，將該樣品在639nm波長激發(fā)下 測試了非偏振熒光譜，如圖2所示。吸收和發(fā)射光譜測試結(jié)果表明，在1800 2200nm范圍 其熒光發(fā)射帶較寬，具有很強(qiáng)的激光應(yīng)用潛能。實(shí)施例2.選取x = 0. 004，將化學(xué)試劑純度均為99. 999 %的CaCO3, Y2O3, Ho2O3和Al2O3按 2 0.996 0. 004 1的化學(xué)計量比分別稱取，然后放入研缽中充分混合10小時。壓料 成塊后，在1000°C高溫下燒結(jié)10小時形成多晶相。與實(shí)施例1相比較，在兩個不同溫度下 灼燒后的塊狀料，無宏觀區(qū)別。將多晶料放入銥坩堝，再置入提拉爐。用[100]方向CaYAlO4 單晶棒作為籽晶，抽低真空后再充入高純氮?dú)?，采用提拉法生長Hoacici4 = CaYci. 996々104單晶，整 個生長過程中參數(shù)如表1中實(shí)施例2所示。爐子降至室溫后取出晶體，晶體透明，完整無開 裂，內(nèi)部無宏觀缺陷。實(shí)施例3.選取x = 0. 005，將化學(xué)試劑純度均為99. 999 %的CaCO3, Y2O3, Ho2O3和Al2O3按 2 0.995 0. 005 1的化學(xué)計量比分別稱取，然后放入研缽中混合10小時。壓料成塊 后，在1200°C高溫下燒結(jié)8小時形成多晶相。將多晶料放入銥坩堝，再置入提拉爐。本次實(shí) 施例中，采用了在實(shí)施例2中生長的晶體定向后，切出的[100]Ho:CaYA104·雜單晶棒作為 籽晶。生長過程如上述實(shí)施例1，實(shí)施例2相同，具體生長參數(shù)如表1中實(shí)施例3所示。爐 子降至室溫后取出晶體，晶體完整無開裂，尾部顯略微突出狀。其中可以看出放肩階段凸顯 出來的階梯平面，且等徑階段的(001)解理晶面很明顯。將實(shí)施例生長的晶體定向后，取出10X9Xlmm3薄片作為測試樣品。按照上述實(shí) 施例1的測試方法，測得偏振吸收光普和非偏振熒光譜分別如圖3，圖4所示。吸收和發(fā)射 光譜測試結(jié)果表明，在1800 2200nm范圍其熒光發(fā)射帶較寬，具有很強(qiáng)的激光應(yīng)用潛能。實(shí)施例4.選取x = 0. 015,將化學(xué)試劑純度均為99. 999 %的CaCO3, Y2O3, Ho2O3和Al2O3按 2 0.985 0.015 1的化學(xué)計量比分別稱取，然后放入研缽中混合10小時。壓料成 塊后，在1200°C高溫下燒結(jié)8小時形成多晶相。將多晶料放入銥坩堝，再置入提拉爐。用
方向CaYAlO4單晶棒作為籽晶。實(shí)施過程如上述實(shí)施例相同，生長過程中參數(shù)如表1 中實(shí)施例4所示。實(shí)施例5.選取x = 0. 02，將化學(xué)試劑純度均為99. 999 %的CaCO3, Y2O3, Ho2O3和Al2O3按 2 0.98 0.02 1的化學(xué)計量比分別稱取，然后放入研缽中混合10小時。壓料成塊后， 在1000°C高溫下燒結(jié)5小時形成多晶相。將多晶料放入銥坩堝，再置入提拉爐。采用
方向HcKCaYAlO4單晶棒作為籽晶。整個生長過程如前述實(shí)施例相同，生長參數(shù)如表1中實(shí) 施例5所示。同實(shí)施例2，實(shí)施例3相比，本實(shí)施例中晶體收尾平面面積略小。 表1提拉法生長Ho CaYAlO4晶體生長參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種摻鈥鋁酸釔鈣激光晶體的生長方法，摻鈥鋁酸釔鈣激光晶體的化學(xué)式為 HcvCaYhAlO4，其特征在于該方法包括下列步驟(1)HoxICaY1^AlO4晶體用原料的制備初始原料采用化學(xué)試劑純度均為99. 999%的CaCO3、^O3、Ho2O3和Al2O3粉料，相應(yīng)的原 料的化學(xué)計量比為2 (1-x) χ 1，其中χ的取值范圍為0.004 0.02;選定χ的具 體值后，按所述的化學(xué)計量比分別稱量CaCO3, Y2O3, Ho2O3和Al2O3,然后放入研缽中混合10 小時，用有機(jī)玻璃模具盛裝混合均勻的料，在液壓機(jī)上壓成塊，放入氧化鋁坩堝，在1000 1200°C高溫下燒結(jié)5 10小時，使其發(fā)生固相反應(yīng)，合成HcKCaYAlO4多晶原料；(2)將所述的HcKCaYAlO4多晶原料放入銥坩堝，置于提拉爐內(nèi)，采用提拉法生長 Ho CaYAlO4單晶，所述的提拉法生長Ho CaYAlO4單晶的具體步驟是①將所述的多晶料放入銥坩堝，置于提拉爐內(nèi)，裝爐完后爐內(nèi)抽真空1 10Pa，然后充 入0. 11 0. 13ΜΙ^高純氮?dú)?，采用中頻感應(yīng)加熱銥坩堝，融化坩堝內(nèi)多晶料，并在1820 1900°C范圍內(nèi)保溫0. 5 2小時，使坩堝內(nèi)熔體分布均勻；②采用端面法線方向?yàn)閇100]或W01]的CaYAlO4或HcKCaYAlO4單晶棒作為籽晶，籽 晶方向誤差范圍士5° ；③將熔體溫度降為1810°C開始晶體生長將籽晶與熔體接觸，依次經(jīng)過縮頸，放肩，等 徑三個步驟生長晶體，整個生長過程中，拉速為0. 5 2mm/h，轉(zhuǎn)速為5 15rpm，當(dāng)晶體長 度達(dá)到預(yù)定尺寸，將晶體從熔體中拉脫；④以20 30°C/h的降溫速率，提拉爐內(nèi)晶體逐漸降至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻鈥鋁酸釔鈣激光晶體的生長方法，其特征在于所述的籽晶 成分為CaYAlO4單晶或摻雜HcKCaYAlO4單晶棒，籽晶方向?yàn)閇100] 士5°，或
士5°。
全文摘要
一種摻鈥鋁酸釔鈣激光晶體的生長方法，摻鈥鋁酸釔鈣激光晶體的化學(xué)式為Hox:CaY1-xAlO4，采用碳酸鈣，三氧化二釔，三氧化二鋁，及三氧化二鈥作為原料，按照比例進(jìn)行稱取，而后依次按照混勻，壓料，高溫灼燒，在提拉爐內(nèi)氮?dú)鈿夥障律L的過程進(jìn)行制備激光晶體。本晶體的吸收和發(fā)射光譜測試結(jié)果表明，在1800～2200nm范圍其熒光發(fā)射帶較寬，具有很強(qiáng)的激光應(yīng)用潛能。
文檔編號C30B29/22GK102094237SQ20111000854
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者吳鋒, 周大華, 徐曉東, 李東振, 狄聚青 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所