CN101649486A - 提拉法生长铽镓石榴石(tgg)晶体的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种生产提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的装置及其方法，涉及晶体生长领域，主要包括一称量装置、一旋转装置、一加热装置和一开孔三坩埚。通过在制备装置上经过原料准备、第一次加料、补给料生长后生成。有益效果是补给料的熔化吸热过程对晶体生长区温场影响小，有效降低了熔液长时间处于高温而引起的挥发对组分的影响。

Description

提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的装置及其方法

技术领域：

本发明涉及晶体生长领域，具体是一种制备大尺寸、高质量TGG晶体的装置和方法。

背景技术：

目前，半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。它通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，隔离度代表了光隔离器对回波隔离(阻挡)能力。在相干光长距离光纤通信系统中，每隔一段距离安装一个光隔离器，可以减少受激布里渊散射引起的功率损失。光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要的作用。

常用的YIG(钇铁石榴石)是一种优良的光隔离材料。但是，在可见光区域低的透过率和激光损伤阈值限制了其更广泛的应用。与之相比，TGG(铽镓石榴石)具有更宽的透过区域，更高的激光损伤阈值，是实现宽波段、可调(波长)、高功率激光光隔离器的关键元件。

磁旋光玻璃是一种具有磁光效应的特种光学玻璃，可实现宽波段激光输出控制，是高性能大口径法拉第旋转元件不可替代的材料。然而，与旋光玻璃相比，TGG玻璃具有明显优势：1、介电常数是铽玻璃的2倍。2、热导率比玻璃大一个数量级。3、光损耗低于玻璃。4光学畸变小，适合平均功率更高的应用。开发大尺寸TGG晶体，对于进一步提高大口径法拉第旋转元件的性能、进而提高高功率激光性能具有重要意义。

TGG晶体在生长过程中，面临着严重的组分挥发问题，由于组成偏离化学计量得不到及时修正，使得制备大尺寸、高质量单晶材料难以实现。

周圣明等(中国专利申请号：200610025643.7)采用在坩埚上加盖保温罩，让晶体在一个近封闭的系统中生长。本专利作者在这类高温易挥发性晶体的生长过程中发现，高温熔体中挥发出来的成分很快就沉积在保温罩上，而不是以气态形式被封闭在保温罩内。所以采用封闭系统，并不能得到类似水溶液达到饱和蒸气压后能阻止组分挥发的效果。

日本的朝日聪明等(中国专利申请号：200380100243.2)采用了双层坩埚。内层作为生长坩埚，底部开口与外层坩埚熔液相贯通，外层坩埚熔液采用密封剂来阻止挥发。该方式主要用于制备低熔点易挥发的ZnTe系化合物半导体单晶，对于高熔点氧化物组成的高温溶液，难以找到合适的液封材料。

美国专利(US Patent 6,464,777)也采用了双坩埚，基本原理是通过向外坩埚中不断加入重量相当于内坩埚生长出的晶体重量的原料，从而保持熔体成分不变。晶体生长过程中，对温度梯度有着严格的要求。当加入常温的粉体原料后，必然从会从内坩埚吸热，引起晶体生长温度出现大的波动，从而影响晶体的正常生长。

郑燕青等(中国专利申请号：200410089075.8)进行了改进，采用外层坩埚上升法来补充内层坩埚因生长而减少的料，可以有效防止因料熔化引起的温度波动，但是外层坩埚本身的挥发，使得补充的料本身难以保证化学计量。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种避免上述问题，采用三坩埚法，即采用熔液可以相互贯通的三层坩埚，在晶体生长过程中，连续的补充晶体原料，避免对晶体正常生长引起大的温度波动，从而制备高质量、大尺寸的TGG晶体。

本发明为解决技术问题采用的技术方案是：

生产提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的装置包括：一称量装置、一旋转装置、一加热装置和一开孔三坩埚，其特征在于：它是由加热元件、耐火材料外壳、陶瓷保温材料、加料管、原料补给坩埚、原料补给过度坩埚、生长坩埚、原料补给过度坩埚、晶体、耐火材料底座或设置生长坩埚上的开孔构成，然后通过上、下提拉杆进行提拉旋转。

所述称量装置根据晶体生长的重量的增加速度，以调整相应加料速度。

所述旋转装置根据籽晶轴带动籽晶旋转生长，以提高晶体质量；在所述底部带动三坩埚一起旋转，这样加入在补给坩埚中的分料会更均匀地分布于坩埚四周，坩埚内的温场更加均匀，且降低了加入料对过度坩埚温场的影响。上下部的旋转方向相反。

所述加热装置采用铜线圈感应加热。

所述开孔三坩埚在过度坩埚的下端开有一排小孔，用于晶体生长时坩埚采取不露出液面。

本发明中开孔三坩埚进一步的技术方案是在过度坩埚的下端开有一排小孔，这样晶体生长坩埚露出液面，但是在该坩埚壁的上部、液面以下部分也开出一排小孔。

制备提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的方法，具体步骤包括：

1、原料准备：使用商业用高纯原料，按摩尔比(料A)Tb2O3∶Ga2O3＝3∶(5.05～5.15)和(料B)Tb2O3∶Ga2O3＝3∶(5.15～5.30)。称取高纯度(大于99.99％)Tb2O3和Ga2O3两种混合料各1000g，在混料机上充分混合24小时，然后压实为料块，再将料块在(1000℃～1400℃)锻烧10小时成镓酸铽料。将部分料块研磨为粉料作为补给料。烧结后的料，部分采用高压制备成块状作为锅底料，部分研磨成粉末作为补给料。

2、第一次加料：将料B加入铱金坩埚中，作为锅底料，抽高真空后充入氩气、氮气或者二氧化碳的惰性气体中的一种或几种，到常压后升高中频功率，熔化原料，上下轴同时反方向旋转，开始晶体生长。

3、补给料生长：当晶体开始平稳生长以后，根据称量系统反馈的数据开始补给原料。如图1所示，原料在A区上端熔化后，经过度坩埚下端的小孔进入B区，混合均匀后在B区上部与C区贯通。美国专利(美国专利号：6,464,777)采用双坩埚系统，补给的料直接经A区下部的小孔与晶体生长区下部的料混合。

本发明产生的有益效果是补给料的熔化吸热过程对晶体生长区温场影响小。补给料的熔化过程主要集中在A区上部，熔化所需要的热量相当部分来源于与其相邻的B区，如美国专利所述结构，晶体生长区的温度必然表现出大的波动；而根据当前发明所述结构，B区作为过程区，这样对晶体生长区温度的影响被减弱。降低挥发对晶体生长区域熔液成分的影响。其中补给料经由B区过度，在B区成分充分混合均匀，温度更接近C区，然后直接进入C区的上部，也就是直接进入晶体生长区域。有效降低了熔液长时间处于高温而引起的挥发对组分的影响。

附图说明：

图1为本发明提拉法生长TGG晶体的结构示意图；

图2是本发明的另一种晶体生长设备示意图；

图中1-加热元件、2-耐火材料外壳、3-陶瓷保温材料、4-加料管、5-原料补给坩埚、6-原料补给过度坩埚、7-生长坩埚、8-原料补给过度坩埚、9-晶体、10-耐火材料底座、11-生长坩埚上的开孔、12-提拉杆。

具体实施方式：

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步介绍：

如图1、图2所示，一种生产提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的装置包括：一称量装置、一旋转装置、一加热装置和一开孔三坩埚。其中主要由加热元件1、耐火材料外壳2、陶瓷保温材料3、加料管4、原料补给坩埚5、原料补给过度坩埚6、生长坩埚7、原料补给过度坩埚8、晶体9、耐火材料底座10和生长坩埚上的开孔11构成，然后通过上、下提拉杆12进行提拉旋转。

制备提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的具体实施例如下：

实施例1：使用商业用高纯原料，按摩尔比Tb2O3∶Ga2O3＝3∶5.05和Tb2O3∶Ga2O3＝3∶5.15称取高纯度(大于99.99％)Tb2O3和Ga2O3两种混合料，在混料机上充分混合24小时，然后压实为料块，再将料块在1000℃锻烧10小时成镓酸铽料。将部分料块研磨为粉料作为补给料。采用图1所示的生长装置进行生长，将3∶5.05料块放于直径为140mm三坩埚系统的原料补给坩埚内，将3∶5.15料块放于直径为100mm的生长坩埚内，用提拉法按拉脖、放肩等径、收尾等过程生长镓酸铽晶体。补给料先放入过度仓，经过抽真空，充氩后，缓慢的加入到补给坩埚。熔化的原料经过直径为120mm的过度坩埚进入生长区。生长过程中坩埚旋转系统以一定速度使籽晶和坩埚作反向运动，从而使晶体顺利生长。生长后的晶体在1400℃退火，容易得直径为50mm、长度为60mm、完全透明的TGG(Tb3Ga5O12)晶体。

实施例2：使用商业用高纯原料，按摩尔比Tb2O3∶Ga2O3＝3∶5.15和Tb2O3∶Ga2O3＝3∶5.30称取高纯度(大于99.99％)Tb2O3和Ga2O3两种混合料，在混料机上充分混合24小时，然后压实为料块，再将料块在1200℃锻烧10小时成镓酸铽料。将部分料块研磨为粉料作为补给料。采用图1所示的生长装置进行生长，将3∶5.05料块放于直径为140mm三坩埚系统的原料补给坩埚内，将3∶5.15料块放于直径为100mm的生长坩埚内，用提拉法按拉脖、放肩等径、收尾等过程生长镓酸铽晶体。补给料先放入过度仓，经过抽真空，充氩后，缓慢的加入到补给坩埚。熔解的原料经过直径为120mm的过度坩埚进入生长区。生长过程中坩埚旋转系统以一定速度使籽晶和坩埚作反向运动，从而使晶体顺利生长。(3)生长后的晶体在1400℃退火，容易得直径为50mm、长度为60mm、完全透明的TGG(Tb3Ga5O12)晶体。

实施例3：使用商业用高纯原料，按摩尔比Tb2O3∶Ga2O3＝3∶5.05和Tb2O3∶Ga2O3＝3∶5.30称取高纯度(大于99.99％)Tb2O3和Ga2O3两种混合料，在混料机上充分混合24小时，然后压实为料块，再将料块在1400℃锻烧10小时成镓酸铽料。将部分料块研磨为粉料作为补给料。采用图2所示的生长装置进行生长，将3∶5.05料块放于直径为140mm三坩埚系统的原料补给坩埚内，将3∶5.15料块放于直径为100mm的生长坩埚内，用提拉法按拉脖、放肩等径、收尾等过程生长镓酸铽晶体。补给料先放入过度仓，经过抽真空，充氩后，缓慢的加入到补给坩埚。熔解的原料经过直径为120mm的过度坩埚进入生长区。生长过程中坩埚旋转系统以一定速度使籽晶和坩埚作反向运动，从而使晶体顺利生长。生长后的晶体在1400℃退火，容易得直径为50mm、长度为60mm、完全透明的TGG(Tb3Ga5O12)晶体。

以上显示和描述了本发明的基本原理和技术特征和主要优点。本行业的技术人员能够了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都应落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1、一种生产提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的装置包括：一称量装置、一旋转装置、一加热装置和一开孔三坩埚，其特征在于：它是由加热元件、耐火材料外壳、陶瓷保温材料、加料管、原料补给坩埚、原料补给过度坩埚、生长坩埚、原料补给过度坩埚、晶体、耐火材料底座或设置生长坩埚上的开孔构成，然后通过上、下提拉杆进行提拉旋转。

2、根据权利要求1所述生产提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的装置，其特征在于：所述称量装置根据晶体生长的重量的增加速度，以调整相应加料速度。

3、根据权利要求1所述生产提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的装置，其特征在于：所述旋转装置根据籽晶轴带动籽晶旋转生长，以提高晶体质量。

4、根据权利要求1所述生产提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的装置，其特征在于：所述加热装置采用铜线圈感应加热。

5、根据权利要求1所述生产提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的装置，其特征在于：所述开孔三坩埚在过度坩埚的下端开有一排小孔。

6、根据权利要求5所述生产提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的装置，其特征在于：所述在该坩埚壁的上部、液面以下部分也开出一排小孔。

7、一种生产提拉法生长铽镓石榴石(TGG)晶体的方法，具体步骤为：

a.原料准备：使用商业用高纯原料，按摩尔比(料A)Tb2O3∶Ga2O3＝3∶(5.05～5.15)和(料B)Tb2O3∶Ga2O3＝3∶(5.15～5.30)，称取高纯度(大于99.99％)Tb2O3和Ga2O3两种混合料各1000g，在混料机上充分混合24小时，然后压实为料块，再将料块在(1000℃～1400℃)锻烧10小时成镓酸铽料，将部分料块研磨为粉料作为补给料，烧结后的料，部分采用高压制备成块状作为锅底料，部分研磨成粉末作为补给料。

b.第一次加料：将料B加入铱金坩埚中，作为锅底料，抽高真空后充入氩气、氮气或者二氧化碳的惰性气体中的一种或几种，到常压后升高中频功率，熔化原料，上下轴同时反方向旋转，开始晶体生长。

c.补给料生长：当晶体开始平稳生长以后，根据称量系统反馈的数据开始补给原料，原料在A区上端熔化后，经过度坩埚下端的小孔进入B区，混合均匀后在B区上部与C区贯通。

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