CN102051673B - 一种折射率渐变双折射晶体生长方法 - Google Patents

一种折射率渐变双折射晶体生长方法 Download PDF

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本发明公开了一种折射率渐变双折射晶体生长方法，其特征在于采用提拉法生长双折射晶体，利用晶体中二元或多元组分在高温下分解、挥发速度不同，形成生长时各组分随生长时间进行不断变化的熔体，并在这种熔体中生长出轴向组分分布连续变化、径向组分分布一致的晶体。这种折射率渐变双折射晶体的折射率和双折射差值连续产生变化，从而可生产出折射率和双折射率渐变的双折射晶体，本发明方法生长的晶体可用于制作退偏振器件、消散斑位相片或高数值孔径光学透镜。

Description

一种折射率渐变双折射晶体生长方法
技术领域
本发明涉及光学器件的生长方法，特别是涉及一种折射率渐变双折射晶体生长方法。
背景技术
具有折射率渐变性质的光学元件在诸如开关，环形器，隔离器和波分多路复用器的光学装置和远程通信中得到广泛使用，如GRIN透镜。通常GRIN透镜的制作方法有离子交换法、气相CVD法及溶胶－凝胶法等，这些方法或多或少存在制作工艺复杂或器件尺寸小等缺点。
提拉法又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年发明的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。
提拉法是目前应用最广泛的晶体生长方法，这种方法适用于具有同成分熔化的化合物生长。当其应用于二元或多元体系化合物，且各体系间熔点相差较大的晶体生长时，在生长过程中，晶体和熔体的成分将不断变化。如YVO4晶体，其为V2O5和Y2O3组成的二元体系，V2O5的熔点约为690℃，Y2O3的熔点约为2400℃，二者相差很大，晶体生长时容易产生V2O5的挥发，从而使熔体及YVO4晶体的组分发生变化，并且采用提拉法生长晶体时可根据晶体种类及生长工艺情况容易地改变晶体生长速度。
发明内容
针对传统获得折射率渐变器件工艺复杂或器件尺寸小等缺点，本发明目的在于提供一种工艺简单的折射率渐变双折射晶体生长方法。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：一种折射率渐变双折射晶体生长方法，其特征在于在提拉法生长双折射晶体时，利用其二元或多元组分在高温下分解、挥发速度不同，或者有意掺杂入熔点、挥发速度相差较大的化合物，从而形成生长时各组分随生长时间进行不断变化的共熔体。
进一步，在这种共熔体生长中或者同时在晶体生长过程中采用提拉速度不断变化的方法可生长出轴向组分分布连续变化，径向组分分布一致的晶体。采用这种方法生长的双折射晶体，其折射率和双折射差值亦将连续产生变化，从而可生产出折射率和双折射率渐变的双折射晶体。
另外，作为本发明的一种实施方式，本发明还可以采用与上述生成共熔体的方法生成两种组分存在差异的共熔体，然后将其中一种共熔体生长中或者同时在晶体生长过程中采用提拉速度不断变化的方法可生长出轴向组分分布连续变化，径向组分分布一致的晶体，待晶体开始平稳生长时，根据称重系统反馈的数据开始补给另一种共熔体，从而可生产出折射率渐变的双折射晶体。
钒酸钇（YVO4）晶体是一种采用提拉法生长的双折射晶体，具有大的双折射值（在0.63～1.30μm下，双折射值△n＝0.2225～0.2054），稳定的物理、化学性质和良好的机械性能，现已广泛应用于光通讯中的隔离器、环形器及光分束器等光无源器件。
基于上述思想，本发明在YVO4晶体中掺入YPO4，以PO4 3-部分取代VO4 3-。由于P2O5的熔点仅为580℃，低于V2O5的熔点（690℃）及Y2O3的熔点（2400℃），且P2O5在熔融状态更容易挥发，从而采用提拉法生长出一种双折射率及折射率渐变的YPxV1-xO4晶体，从所生产晶体的头部至底部切出10片长度为20mm的双折射晶体，从上部到下部，其O光与E光分开距离可以从1.68nm渐变到2.28nm。
采用本发明方法制备YPxV1-xO4晶体包括如下步骤：
1)        将纯度为99.9％～99.995％的原料Y2O3在600～800℃下烘干去水，将纯度为99％～99.9％的原料V2O5和P2O5在100℃烘干去水；
2)        将烘干后的原料按化学反应式Y2O3＋xP2O5＋（1-x）V2O5＝2YPxV1-xO4的比例称样、研磨、混合、压片，其中P2O5按所需浓度加入；
3)        将压片后的原料装入Φ80～100mm清洁的刚玉杯中，放在硅碳棒炉内，在800～1000℃下通氧烧结20～40个小时，形成YPxV1-xO4多晶块；
4)        晶体生长在中频感应提拉炉中进行，采用惰性气体（如N2、Ar等）保护，将烧结后的多晶块原料放在铱金坩锅中熔化，熔化温度约为1850℃左右，高于晶体的熔点。清洗籽晶并将熔体在此温度下恒温30～60分钟；
5)        缓慢降温，测试熔点，以0.5～2毫米/小时的提拉速度，5～20转/分钟的晶体转速开始晶体生长，缩径生长、放肩生长及等径生长，在等径生长阶段，其提拉速度从采用程序控制，从0.5毫米/小时～3毫米/小时不断连续变化；
6)        待晶体生长达到所需要尺寸后，将晶体提升脱离液面，并分4～5个阶段冷却至室温，降温速率为10～70℃/小时。
本发明的YPxV1-xO4折射率渐变双折射晶体可用提拉法容易地生长出大尺寸，高质量的晶体，生长速度快，有优良的光学特性。采用这种方法生长的双折射晶体，其折射率和双折射差值亦将连续产生变化，从而可生产出折射率和双折射率渐变的双折射晶体。本发明的晶体可用于制作退偏振器件、消散斑位相片或高数值孔径光学透镜。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明做进一步说明。
实施例1
1)  将纯度为99.99％的原料Y2O3在800℃烘干去水，将纯度为99.9％的原料V2O5和P2O5在100℃烘干去水；
2)  称取烘干去水后的原料：338.7g的Y2O3、21.3g的P2O5和245.5g的V2O5，将原料放入玛瑙研钵中充分研磨，混合均匀，用2000kg的静水压将其压成坯料；
3)  将坯料装入Φ100mm清洁的刚玉杯中，放在硅碳棒炉内通氧加热到1000℃，保温24小时进行固相反应，形成YPxV1-xO4多晶块；
4)  采用DJL-400单晶炉生长晶体，使用中频感应加热，用Φ70mm铱金坩锅来盛放得到的多晶块，生长气氛为高纯氮气（压力为0.04MPa），以纯YVO4为籽晶（熔点1800℃），C轴生长。将熔体升温至超过熔点50℃左右，即1850℃左右，并在此温度保温约30-60分钟，清洗籽晶；
5)  将熔体温度降低到熔点附近，并将籽晶伸入到熔体中，以1毫米/小时的提拉速度，15转/分钟的晶体转速开始晶体生长，缩径生长、放肩生长，开始等径生长时，提拉速度为0.5毫米/小时，采用程序控制使其以每小时0.5毫米的速度增加，及至提拉速度为3毫米/小时，经过约25小时晶体生长达到所需要尺寸；
6)  将晶体提升脱离液面，并分4～5个阶段冷却至室温，降温速率为10～70℃/小时，获得的YPxV1-xO4晶体为浅黄色、透明晶体。
实施例2
1)        将纯度为99.99％的原料Y2O3在800℃烘干去水，将纯度为99.9％的原料V2O5和P2O5在100℃烘干去水；
2)        称取烘干去水后的原料：338.7g的Y2O3、21.3g的P2O5和245.5g的V2O5，将原料放入玛瑙研钵中充分研磨，混合均匀，用2000kg的静水压将其压成坯料；
3)        将坯料装入Φ100mm清洁的刚玉杯中，放在硅碳棒炉内加热到1000℃，保温24小时进行固相反应，形成YP0.1V0.9O4多晶块。采用类似的方法合成YP0.15V0.85VO4多晶块；
4)        采用配有上称重装置且可连续加料的单晶炉生长晶体，使用中频感应加热，用Φ70mm铱金坩锅来盛放得到的YP0.1V0.9O4多晶块，生长气氛为高纯氮气（压力为0.04MPa），以纯YVO4为籽晶，C轴生长。将熔体升温至超过熔点（1800℃）50℃左右，即1850℃左右，并在此温度保温约30分钟，清洗籽晶；
5)        将熔体温度降低到熔点附近，并将籽晶伸入到熔体中，以2毫米/小时的提拉速度，15转/分钟的晶体转速开始晶体生长（缩径生长、放肩生长）。开始等径生长时，当晶体开始平稳生长时，根据称重系统反馈的数据开始补给原料YP0.15V0.85VO4。经过约25小时晶体生长达到所需要尺寸；
6)        将晶体提升脱离液面，并分4～5个阶段冷却至室温，降温速率为10～70℃/小时，获得的YPxV1-xO4晶体为浅黄色、透明晶体。

Claims (8)

1.一种折射率渐变双折射晶体生长方法，其特征在于：在可生成化合物晶体的二元或多元组分原料中加入熔点及挥发速度与该二元或多元组分原料相差较大的化合物，通过反应、通氧烧结，形成共熔体;共熔体采用提拉法生长，晶体生长过程中，等径生长速度不断发生变化;所述的折射率渐变双折射晶体为YPxV1-xO4，所述的共熔体为YPxV1-xO4多晶块;所述的二元或多元组分原料为Y2O3和V2O5, 所加入的化合物为P2O5。
2.根据权利要求1所述的一种折射率渐变双折射晶体生长方法，其特征在于，所述的Y2O3纯度为99.9％～99.995％，V2O5和P2O5纯度为99％～99.9％。
3.根据权利要求1所述的一种折射率渐变双折射晶体生长方法，其特征在于，原料按化学反应式Y2O3＋xP2O5＋（1-x）V2O5＝2YPxV1-xO4的比例加入。
4.根据权利要求1所述的一种折射率渐变双折射晶体生长方法，其特征在于，通氧烧结温度为800～1000℃。
5.根据权利要求1所述一种折射率渐变双折射晶体生长方法，所述的提拉法生长在中频感应提拉炉中。
6.根据权利要求1所述的一种折射率渐变双折射晶体生长方法，其特征在于，所述的提拉法生长过程中，在等径生长阶段，提拉速度采用程序控制，从0.5毫米/小时～3毫米/小时不断连续变化。
7.一种折射率渐变双折射晶体生长方法，其特征在于，采用权利要求1所述的生成共熔体的方法生成两种成分存在差异的共熔体，其中一种共熔体采用具有上称重装置且可连续加料提拉生长炉生长，晶体生长过程中，等径生长速度不断发生变化，当晶体开始平稳生长时，根据称重系统反馈的数据，加入另一种成分存在差异的共熔体做原料，晶体继续生长为所需尺寸的折射率渐变双折射晶体。
8.根据权利要求7所述的一种折射率渐变双折射晶体生长方法，其特征在于所述的二元或多元组分原料为Y2O3和V2O5, 所加入的化合物为P2O5。
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