CN101503819B - 坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的方法，为在熔盐法生长非线性光学晶体的生长过程中，籽晶放在熔体之中或表面，籽晶和坩埚按一定的旋转周期同步反向旋转；装置包括晶体生长设备和驱动籽晶和坩埚按一定的旋转周期同步反向旋转的控制器；该同步反向旋转的旋转周期为：在第一方向的依次加速旋转、匀速旋转、减速旋转和停止旋转，之后，再向与第一方向相反的第二方向依次加速旋转、匀速旋转、减速旋转和停止旋转。本发明采用籽晶和坩埚同步反向旋转且旋转速度可调，有利于生长初期籽晶排杂，生长出有规则形貌单晶，降低甚至消除晶体过重导致籽晶所受力矩过大而扭断的风险。
Description
技术领域
本发明涉及晶体生长技术领域，特别是涉及一种坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的方法及装置。
背景技术
晶体生长包括一系列过程，诸如晶体生长基元形成过程、晶体生长的输运过程、晶体生长界面的动力学过程，其中输运过程是一个重要的环节。晶体生长过程实际上是一个热量、质量和动量的输运过程，晶体生长是空间不连续与非均匀化的过程，结晶作用仅在生长界面上。
必须充分认识到搅拌作用对晶体生长速率及质量的影响。在熔体或溶液中生长晶体时，通过晶体的旋转或坩埚的旋转会产生一种强迫对流，此时热量和质量的输运分别为对流传导和对流扩散，可以近似的认为热传导和扩散总是在边界层内发生。旋转晶体对生长的影响可归结为晶体的转速对速度边界层厚度的影响，在熔液中，溶质在扩散和对流的联合作用下向晶体生长表面扩散，熔液被搅拌的越充分溶质边界层的厚度也就越薄，溶质在边界层的浓度梯度越大，晶体生长速率也随着相应的增大。
传统的非线性光学晶体的生长方法，大都是：在非线性光学晶体的生长方法过程中，或者是采用单独地旋转籽晶生长非线性光学晶体(ACRT技术)；或者是采用单独地旋转坩埚生长非线性光学晶体，两种方法的不足在于：生长初期在固液界面不能很好的进行排杂，容易形成包裹缺陷并导致缺陷在晶体内部延伸。由于每种晶体都有固定的形貌，相对籽晶并非完全对称，所以晶体旋转时会在籽晶处形成较大扭矩，如果晶体重量过大就会扭断籽晶而使晶体脱落，对于生长大尺寸的晶体不利。传统溶盐法生长晶体和ACRT技术在实际应用中不能同时采用的原因在于籽晶和坩埚的运动不能做到同步变化，即由于时间误差的积累会出现晶体和坩埚同向旋转的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种籽晶和坩埚同步反向周期旋转，旋转与停止的时间严格同步并且各自的加减速时间及旋转速度分别可调的坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的方法；
本发明的另一目的在于提供一种籽晶和坩埚同步反向周期旋转，旋转与停止的时间严格同步并且各自的加减速时间及旋转速度分别可调的坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的装置。
本发明的技术方案如下：
本发明的提供的坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的方法，特征在于，在熔盐法生长非线性光学晶体的生长过程中，籽晶放在熔体之中或熔体表面，籽晶和坩埚按照下述旋转周期同步反向旋转，所述旋转周期为：在第一方向依次加速旋转、匀速旋转、减速旋转和停止旋转，之后，再在与第一方向相反的第二方向依次加速旋转、匀速旋转、减速旋转和停止旋转。
所述在第一方向的加速旋转为在3-30秒内由0转速加速至X转/秒的加速旋转；
所述在第一方向的匀速旋转为以X转/秒转速匀速旋转50-360秒；
所述在第一方向的减速旋转为在3-30秒内由X转/秒减速至0转速的减速旋转；
所述在第二方向的加速旋转为在3-30秒内由0转速加速至X转/秒的加速旋转；
所述在第二方向的匀速旋转为以X转/秒转速匀速旋转50-360秒；
所述在第二方向的减速旋转为在3-30秒内由X转/秒减速至0转速的减速旋转；
所述停止旋转的时间为50-300秒；所述X＝10-50。
本发明提供的坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的装置，包括：晶体生长设备，特征在于，还包括：驱动晶体生长设备中的籽晶杆旋转的第一无刷直流电机A、驱动晶体生长设备中的坩埚旋转的第二无刷直流电机B和控制所述第一无刷直流电机A和所述第二无刷直流电机B同步反向旋转的控制器C；
所述控制器C控制第一无刷直流电机A和第二无刷直流电机B同步反向旋转的旋转周期为：在第一方向依次加速旋转、匀速旋转、减速旋转和停止旋转，之后，再在与第一方向相反的第二方向依次加速旋转、匀速旋转、减速旋转和停止旋转。
所述在第一方向的加速旋转为在3-30秒内由0转速加速至X转/秒的加速旋转；
所述在第一方向的匀速旋转为以X转/秒转速匀速旋转50-360秒；
所述在第一方向的减速旋转为在3-30秒内由X转/秒减速至0转速的减速旋转；
所述在第二方向的加速旋转为在3-30秒内由0转速加速至X转/秒的加速旋转；
所述在第二方向的匀速旋转为以X转/秒转速匀速旋转50-360秒；
所述在第二方向的减速旋转为在3-30秒内由X转/秒减速至0转速的减速旋转；所述停止旋转的时间为50-300秒；所述X＝10-50。
本发明充分吸收了ACRT技术及传统熔盐法生长晶体的优点，籽晶和坩埚同步反向旋转，旋转与停止的时间严格同步并且各自的加减速时间及旋转速度分别可调；生长初期有利于籽晶的排杂，熔体充分混合均匀有利于抑制漂晶的产生。传统溶盐法生长晶体和ACRT技术在实际应用中不能同时采用的原因在于籽晶和坩埚的运动不能做到同步变化，即由于时间误差的积累会出现晶体和坩埚同向旋转的问题。而我们所开发的控制系统完全解决了上述矛盾，单片机能够提供精确的脉冲输出从而能够实现对晶体和坩埚运动状态的精确控制。生长出的LBO晶体的重量比国际上的最高水平高出一倍就体现出了此方法和装置的在晶体生长中成功应用。
附图说明
附图1为本发明的坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的装置的结构示意图；
附图2-1和图2-2分别为籽晶和坩埚进行同步反向旋转的旋转周期示意图；
具体实施方式
附图1为本发明的坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的装置的结构示意图；其中，G代表晶体生长炉的炉膛，E代表籽晶杆，F代表固定支撑坩埚D的丁字形支撑架的垂向支撑杆，A代表驱动籽晶杆旋转的第一无刷直流电机，B代表驱动坩埚旋转的第二无刷直流电机，C代表控制第一无刷直流电机A和第二无刷直流电机B周期同步旋转的控制器；
附图2-1为籽晶杆旋转的旋转周期示意图；
和图2-2为坩埚旋转的旋转周期示意图；其中，横坐标为时间，纵坐标为转速；由附图2-1和附图2-2可知，籽晶和坩埚按旋转周期同步反向旋转，即在任何一个旋转周期内，籽晶杆和坩埚同时起步同时停止，但是加减速时间和转速分别可调。
实施例1：采用本发明的坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的装置和方法生长硼酸盐体系LBO晶体：
LBO晶体属正交晶系(即斜方晶系)，负双轴晶，空间群C2v 9-Pna21，点群为C2v-mm2，晶胞参数：a＝8.4473
，b＝7.3788
，c＝5.1395
，Z＝4。由连续的网状B307分子群组成，并有锂离子填充在分子间隙。
本实施例采用自助溶剂生长LBO晶体，克服以往的生长过程中由于体系粘度较大，溶质输运不充分，晶体很难长大，并容易开裂；
按Li2CO3∶H3BO3＝1∶8的摩尔比配制原料，φ90坩埚中充分搅拌，生长温度750℃左右，降温速率0.2℃/day-1.0℃/day；在生长过程中，籽晶放在熔体表面，籽晶和坩埚按照下述旋转周期同步反向旋转；
本实施例的旋转周期为：在第一方向(顺时针方向)依次加速(3秒内加速至50转)旋转、匀速(50转/秒)旋转210秒、减速旋转(3秒内由50转/秒减速至0转)和停止旋转300秒；之后，再在与第一方向相反的第二方向(逆时针方向)依次加速(3秒内加速至50转)旋转、匀速(50转/秒)旋转210秒、减速旋转(3秒内由50转/秒减速至0转)和停止旋转300秒；晶体生长55天后，降温至20℃，得到LBO晶体202g。
宏观观察熔液粘度明显降低，晶体无开裂。
实施例2：采用本发明的坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的装置和方法生长钼酸盐体系LBO晶体：
选用φ150×130mm的坩埚，以Li2CO3∶H3BO3∶MoO3＝2.5∶8∶5(摩尔比)的比例配制原料，在马弗炉高温熔化后放入单晶炉中进行充分搅拌，选用4×4mm的C向籽晶。
本实施例的旋转周期为：在第一方向(顺时针方向)依次加速(15秒内加速至30转)旋转、匀速(30转/秒)旋转150秒、减速旋转(15秒内由30转/秒减速至0转)和停止旋转100秒；之后，再在与第一方向相反的第二方向(逆时针方向)依次加速(15秒内加速至30转)旋转、匀速(30转/秒)旋转150秒、减速旋转(15秒内由30转/秒减速至0转)和停止旋转100秒；在控制器C中输入上述参数，两个无刷直流电机A和B严格按照设定的旋转周期指令旋转；下晶种以后，以0.3℃/day的降温速率降温，随着晶体的长大逐渐加快降温速率，但要使降温速率控制在1.0℃/day以内；生长周期70天，最终生长出了150×100×70mm的单晶(顶面为菱形)，晶体重达802g。
实施例3：采用本发明的坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的装置和方法生长BBO晶体：
以BaCO3∶H3BO3∶NaF∶BaF2＝11∶22∶5∶1的比例(摩尔比)配制原料，研磨混合，在马弗炉中950℃烧结24小时，再进行研磨，最后高温熔化，φ90坩埚中充分搅拌，生长温度930℃左右，降温速率0.2℃/day-0.8℃/day。放肩到一定尺寸后开始提拉，提拉速率控制在0.2-0.5mm/day。
本实施例的旋转周期为：在第一方向(顺时针方向)依次加速(30秒内加速至10转)旋转、匀速(10转/秒)旋转50秒、减速旋转(30秒内由10转/秒减速至0转)和停止旋转200秒；之后，再在与第一方向相反的第二方向(逆时针方向)依次加速(30秒内加速至10转)旋转、匀速(10转/秒)旋转50秒、减速旋转(30秒内由10转/秒减速至0转)和停止旋转200秒；根据晶体生长进程改变提拉速率和转速，以使晶体等径生长。晶体生长时间40天，降温至30℃，得到直径80mm，厚度达到25mm的晶体。晶体底部没有结疤现象出现。
实施例4：采用本发明的坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的装置和方法生长CLBO晶体：
将均为高纯(99.99％)的原料Cs2CO3、Li2CO3和H3BO3按照1∶1∶11的摩尔比混合均匀后，加入φ90×80mm铂金坩埚中，在马弗炉中升温熔化，再转移至生长炉中。升温确保物料充分熔化后，用铂金搅拌桨搅拌24h。采用[001]向籽晶；
本实施例的旋转周期为：在第一方向(顺时针方向)依次加速(20秒内加速至40转)旋转、匀速(40转/秒)旋转360秒、减速旋转(20秒内由40转/秒减速至0转)和停止旋转50秒；之后，再在与第一方向相反的第二方向(逆时针方向)依次加速(20秒内加速至40转)旋转、匀速(40转/秒)旋转360秒、减速旋转(20秒内由40转/秒减速至0转)和停止旋转360秒；降温速率为0.1℃-0.2℃/day。晶体生长到一定尺寸后，从熔体中提出晶体，以小于25℃/h降温速率降至室温。得到尺寸为80mm×60mm×40mm的CLBO的单晶，重220g。
Claims (1)
1.一种坩埚与籽晶联动生长大尺寸非线性光学晶体的方法，其特征在于，在熔盐法生长非线性光学晶体的生长过程中，籽晶放在熔体之中或熔体表面，籽晶和坩埚的加减速率分别可调，籽晶和坩埚按照下述旋转周期同步反向旋转，所述旋转周期为：在第一方向依次加速旋转、匀速旋转、减速旋转和停止旋转，之后，再在与第一方向相反的第二方向依次加速旋转、匀速旋转、减速旋转和停止旋转，其中：
所述在第一方向的加速旋转为在3-30秒内由0转速加速至X转/秒的加速旋转；
所述在第一方向的匀速旋转为以X转/秒转速匀速旋转50-360秒；
所述在第一方向的减速旋转为在3-30秒内由X转/秒减速至0转速的减速旋转；
所述在第二方向的加速旋转为在3-30秒内由0转速加速至X转/秒的加速旋转；
所述在第二方向的匀速旋转为以X转/秒转速匀速旋转50-360秒；
所述在第二方向的减速旋转为在3-30秒内由X转/秒减速至0转速的减速旋转；
所述停止旋转的时间为50-300秒；所述X＝10-50。
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