CN104674344A - 氟化钇锂激光晶体的生长装置、生长炉及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氟化钇锂激光晶体的生长装置、生长炉及制备方法，属于激光晶体领域。该生长装置包括：坩埚、设置在坩埚外部的保温筒、设置在保温筒外部的铜感应加热线圈、以及穿过保温筒的顶部伸入坩埚内部的籽晶杆，该保温筒的顶部中间位置设置有用于穿过籽晶杆的直径为60-120mm的第一圆孔，该坩埚为铂坩埚或者铱金坩埚；该铜感应加热线圈的外表面镀有镍层或者喷涂有耐高温树脂层，能够耐氟化物气体腐蚀。基于发明的晶体生长炉和生长装置，发明了一种氟化钇锂激光晶体的制备方法，该方法采用感应加热方式，利用更换籽晶方式打捞漂浮物，实现了高质量氟化钇锂激光晶体的稳定生长。

Description

氟化钇锂激光晶体的生长装置、生长炉及制备方法

技术领域

本发明涉及激光晶体领域，特别涉及一种掺稀土离子的氟化钇锂激光晶体的生长装置、生长炉及制备方法。

背景技术

氟化钇锂(LiYF₄，简称YLF)具有声子能量低、透光波段宽、热光系数为负值等优点，是一种优良的激光晶体基质材料。通过使三价态的稀土离子部分取代氟化钇锂晶格上的Y³⁺离子，可以形成掺杂稀土离子的氟化钇锂(简称Re:YLF)激光晶体。举例来说，Nd³⁺离子取代部分Y³⁺离子后，所形成的Nd:YLF晶体是一种性能优良的1μm波段激光晶体，其用量仅次于Nd:YAG和Nd:YVO₄；Ho³⁺离子和Tm³⁺离子取代部分Y³⁺离子后，所形成的Ho:YLF晶体和Tm:YLF晶体是非常重要的2μm波段激光晶体；Er³⁺离子取代部分Y³⁺离子后，所形成的Er:YLF晶体是重要的3μm和1.7μm波段激光晶体，在医疗上有着重要的应用。所以，提供一种Re:YLF激光晶体的制备方法十分必要。

目前通常采用电阻加热密闭反应气氛提拉法和感应加热流动惰性气氛提拉法来制备Re:YLF激光晶体。其中，电阻加热密闭反应气氛提拉法通常将高纯氟化物(YF₃、LiF、ReF₃)盛装于铂坩埚中，采用石墨作为电阻发热体，以多层钼片、石墨作为保温材料，得到生长装置。将该生长装置安装于本领域常见的提拉单晶炉炉膛中，在炉膛内充入高纯氩气(或氮气)和一定比例的CF₄、HF等反应性气体作为保护气体。以电阻加热方式，将氟化物原料熔化为熔体，然后经升温熔料、下籽晶、预拉漂浮物(氟氧化物和石墨等)、缩径、放肩、等径、拉脱降温、取晶体等过程，生长出Re:YLF晶体。

而感应加热流动惰性气氛提拉法常将高纯氟化物(YF₃、LiF、ReF₃)盛装于铂金坩埚中，采用射频电磁感应加热方式，在开式单晶炉(能够通入流动气氛)中生长晶体。保温材料通常采用ZrO₂或者Al₂O₃作为保温。在流动氮气或者氩气保护气氛下，用感应加热的方式，将坩埚内的原料熔化为熔体，然后经过打捞漂浮物、下籽晶、缩颈、放肩、等径、拉脱、降温、取晶体等过程，生长出Re:YLF晶体。

发明人发现，现有技术至少存在以下问题：

电阻加热反应气氛提拉法生长Re:YLF激光晶体时，具有温场稳定性差，漂浮物打捞困难，固液界面不稳定，所生长的晶体质量差等缺陷；而感应加热流动惰性气氛提拉法无法消除氧分子和水分子的影响，会连续产生氟氧化物等漂浮物，造成晶体质量缺陷，甚至破坏晶体生长过程。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种高质量的掺稀土离子的氟化钇锂晶体的生长装置、晶体生长炉及制备方法。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种掺稀土离子的氟化钇锂晶体的生长装置，包括：坩埚、设置在所述坩埚外部的保温筒、设置在所述保温筒外部的铜感应加热线圈、以及穿过所述保温筒的顶部伸入所述坩埚内部的籽晶杆，所述保温筒的顶部中间位置设置有用于穿过所述籽晶杆的第一圆孔，所述第一圆孔的直径为60-120mm；

所述坩埚为铂坩埚或者铱金坩埚；

所述铜感应加热线圈的外表面镀有镍层或者喷涂有耐高温树脂层。

具体地，所述耐高温树脂层为有机硅树脂层、丁腈橡胶层、酚醛树脂层或聚酰亚胺树脂层。

具体地，作为优选，所述保温筒包括顶部、底部以及连接所述顶部和所述底部的侧部；

所述侧部包括由内至外依次连接的第一保温筒、第二保温筒、第三保温筒、第四保温筒和第五保温筒；

所述第一保温筒、所述第三保温筒和所述第五保温筒的材质均为热压氮化硼陶瓷；

所述第二保温筒、所述第四保温筒的材质均为石墨毡。

具体地，所述第一保温筒、所述第二保温筒、所述第三保温筒、所述第四保温筒和所述第五保温筒的壁厚均为5-10mm；

所述第一保温筒、所述第三保温筒和所述第五保温筒所采用的热压氮化硼陶瓷的掺碳量均为0-10wt％，密度均大于等于1.2g/cm³。

作为优选，所述第一保温筒和所述第五保温筒所采用的热压氮化硼陶瓷的密度均大于等于1.8g/cm³。

具体地，所述顶部由2层氮化硼陶瓷圆环构成，所述氮化硼陶瓷圆环的内环构成所述第一圆孔；

所述底部由至少2层氮化硼陶瓷圆盘构成；

所述氮化硼陶瓷圆环和所述氮化硼陶瓷圆盘中，所采用的氮化硼陶瓷的掺碳量均为0-10wt％，密度均大于等于1.2g/cm³。

具体地，所述坩埚的内径为80-150mm，壁厚为2mm，所述坩埚的高度和所述坩埚的外径之比为1：1-1.5。

具体地，所述第一保温筒的内径比所述坩埚的外径长6-12mm；

所述第一保温筒的高度为所述坩埚的高度的2.5-3.5倍。

第二方面，本发明实施例还提供了与上述的生长装置相配合的晶体生长炉，包括加热系统、真空系统、运动系统、控制系统、炉膛，所述炉膛由主室和设置在所述主室上方的副室构成；

所述副室和所述主室之间设置有一个可开关的挡板阀门，通过打开或关闭所述挡板阀门阀，实现所述主室与所述副室连通或隔绝；

所述主室用于放置上述的生长装置；

所述副室的顶部中间位置设置有用于穿过籽晶杆的第二圆孔；

所述副室的顶部还设置有用于观察晶体生长情况的观察窗口。

具体地，所述主室和所述副室均设置有充、放气阀门和抽真空阀门。

第三方面，本发明实施例提供了一种掺稀土离子的氟化钇锂晶体的制备方法，利用上述的装置以及上述的晶体生长炉，通过感应加热密闭惰性保护气氛提拉法生长掺稀土离子的氟化钇锂晶体；

所述感应加热密闭惰性保护气氛提拉法依次包括：升温熔料、一次下籽晶、预拉漂浮物、二次下籽晶、放肩、等径、拉脱降温、取晶过程；

在所述一次下籽晶的过程中，通过移动挡板阀门，使主室和副室相连通，使籽晶杆进入坩埚内的熔体内1-3mm左右，待熔体表面的漂浮物全部粘结到籽晶周围的晶体上时，提拉晶体至所述副室，并关闭所述挡板阀门，使主室和副室隔绝，然后更换新的籽晶，再次打开所述挡板阀门，使所述主室和所述副室相连通，并进行所述二次下籽晶的过程。

具体地，所述方法包括：

步骤a、将上述的生长装置放入上述的晶体生长炉的炉膛底部；

步骤b、根据化学式Re_xY_1-xLiF₄的化学计量比，其中，0≤x＜0.4，Re为Nd、Ho、Tm、Er、Pr中的至少一种，将用于制备掺稀土离子的氟化钇锂晶体的原料置于坩埚中，保持主室和副室连通，下移籽晶杆至所述主室内，并将用于生长掺稀土离子的氟化钇锂晶体的籽晶安装到籽晶杆上；

步骤c、关闭所述晶体生长炉的炉门，清洗炉膛，然后向所述炉膛内充入高纯氮气或者氩气至所述炉膛内的气体压力为0.12-0.14MPa，并向所述炉膛内充入CF₄气体；

步骤d、开启感应加热电源，以50-100℃/h的升温速率，升温至600-800℃，然后以5-20℃/h的升温速率，升温至所述原料熔化；

步骤e、待所述原料完全熔化为熔体后，下籽晶，使所述籽晶进入所述熔体内部的深度为1-3mm，开启晶转，使转速为8-20rpm，浸泡所述籽晶，然后以0.5-3.0mm/h的拉速提拉，同时以1-10℃/h的降温速率降温，使所述籽晶逐渐增大，从而使所述熔体表面的的漂浮物逐渐粘结到所述籽晶周围；

步骤f、待所有的漂浮物粘结到所述籽晶周围的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有所述漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入所述副室，并停止晶转；

步骤g、关闭挡板阀门，使所述主室和所述副室隔绝，然后对所述副室抽真空，当真空度低至10Pa以后，停止抽真空，对所述副室进行放气，至所述副室内气压与炉膛外部气压平衡时，打开所述副室的炉门，从所述籽晶杆上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体，将新的籽晶安装到所述籽晶杆上，然后关闭所述副室的炉门；

步骤h、再次对所述副室抽真空，当真空度低至5Pa以后，向所述炉膛内充入纯度优于99.999％的N₂气，再次清洗所述炉膛，然后向所述炉膛内充入高纯氮气或者氩气至所述炉膛内气体压力为0.12-0.14MPa，并再次向所述炉膛内充入CF₄气体；

步骤i、再次打开所述挡板阀门，使所述主室和所述副室连通，二次下新的籽晶，使所述新的籽晶进入熔体内部的深度为1-3mm，开启晶转，使转速为4-15rpm，浸泡所述籽晶至少1h，然后以0.4-1.0mm/h的拉速提拉，同时调节加热功率，进行掺稀土离子的氟化钇锂晶体的放肩过程，当所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体的直径达到预设值后，调节加热功率，使所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体等径生长；

步骤j、待所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体的等径生长过程结束后，快速将所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体从所述熔体表面拉脱，至所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体的末端与熔体液面的距离为15-30mm，然后恒温0.5-2.0h；

步骤k、控制降温速率为5-20℃/h，进行降温过程，至所述炉膛内的温度降至20-30℃，然后向所述炉膛内的气体放出，打开炉门，取出所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体。

具体地，所述步骤c和所述步骤h中，所述清洗炉膛的过程具体为：抽真空至炉膛内气压低于5Pa后，向炉膛内充入纯度优于99.999％的N₂气，当炉膛压力至0.12MPa时，停止充气，保压20-30min后，再次重复以上步骤2次，从而实现所述炉膛清洗。

具体地，在所述下籽晶和所述二次下新的籽晶的过程中，通过设置在所述副室顶部的观察窗口进行观察，使籽晶进入熔体内部的深度为1-3mm，并通过调节单晶炉加热功率，控制所述籽晶的几何大小不发生改变。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

第一方面，本发明实施例提供的掺稀土离子的氟化钇锂晶体的生长装置，通过选用高径比的铂坩埚或铱金坩埚，使熔体的径向温度梯度较大，温度调节、控制方便，熔体自然对流强，固液界面形状容易保持稳定。通过采用镀有镍层或者喷涂有耐高温树脂层的铜感应加热线圈，避免铜感应加热线圈被耐氟化物气体腐蚀，利于提高所制备晶体的质量。

第二方面，本发明实施例提供了的与上述生长装置相配合的晶体生长炉，通过设置主室用来进行晶体的生长，且在主室上方设置副室，并通过可开关的挡板阀门控制主室与副室之间实现连通或隔绝。从而能够在不停止晶体生长过程且不对生长装置进行降温的前提下，来方便地更换被漂浮物粘结的籽晶。从而实现了在保证晶体质量不受影响的前提下有效除去晶体生长过程中产生的漂浮物。

第三方面，本发明实施例利用上述生长装置和晶体生长炉，通过感应加热密闭惰性保护气氛提拉法生长掺稀土离子的氟化钇锂晶体，通过感应加热方式，提高了熔体径向温度梯度和自然对流的稳定性，通过充入CF₄气体，有效消耗了炉膛内部残留的氧分子和水分子，且在一次下籽晶过程中更换粘结有漂浮物的籽晶，克服了生长过程中氟氧化物漂浮物的再生，有效提高了所制备晶体的质量，并提高了晶体生长工艺的重复性和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的掺稀土离子的氟化钇锂晶体的生长装置的结构示意图；

图2是本发明又一实施例提供的掺稀土离子的氟化钇锂晶体的晶体生长炉的炉膛结构示意图。

附图标记分别表示：

1  坩埚；

2  保温筒；

21  第一保温筒；

22  第二保温筒；

23  第三保温筒；

24  第四保温筒；

25  第五保温筒；

26  保温筒顶部；

261  第一圆孔；

27  保温筒底部；

3  籽晶杆；

4  铜感应加热线圈；

5  主室；

51  主室充、放气阀门；

52  主室抽真空阀门；

6  副室；

61  副室充、放气阀门；

62  副室抽真空阀门；

63  观察窗口；

64  第二圆孔；

7  挡板阀门。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在对本发明实施方式进行详细描述之前，对理解本发明重要的术语进行解释。

(1)本发明实施例所述的“掺稀土离子的氟化钇锂(激光)晶体”不仅仅指的是氟化钇锂晶体中掺杂有稀土离子，还具有其中稀土离子含量为0的含义。亦即，掺稀土离子的氟化钇锂(激光)晶体还包括未掺杂的纯的氟化钇锂(激光)晶体。

发明人研究发现，现有的电阻加热反应气氛提拉法生长Re:YLF系列激光晶体时，温场稳定性差，打捞漂浮物(氟氧化物和石墨等)困难，固液界面不稳定，生长晶体质量差等缺陷。而感应加热流动惰性气氛提拉法则无法消除氧分子和水分子的影响，会连续产生氟氧化物漂浮物等缺陷。为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种掺稀土离子的氟化钇锂晶体的生长装置，晶体生长炉及利用两者进行的制备方法。具体阐述如下：

如附图1所示，本发明实施例提供了一种掺稀土离子的氟化钇锂晶体的生长装置，包括：坩埚1、设置在坩埚1外部的保温筒、设置在保温筒外部的铜感应加热线圈4、以及穿过保温筒顶部26伸入坩埚1内部的籽晶杆3，其中，保温筒顶部26中间位置设置有用于穿过籽晶杆3的第一圆孔261，该第一圆孔261的直径为60-120mm；该坩埚1为铂坩埚或者铱金坩埚；该铜感应加热线圈4的外表面镀有镍层或者喷涂有耐高温树脂层。

发明人研究发现，在密闭反应气氛感应加热提拉法中，炉膛内充入的CF₄、HF等反应气体虽然能够大量消耗炉膛内残留的氧分子和水分子，但由于充入的CF₄、HF等为具有腐蚀性的反应性气体，对设备和系统的耐腐蚀能力要求大幅提高。而晶体生长装置中常用的铜感应加热线圈4非常容易被氟化物气体腐蚀。特别是在系统中残留有水分子的条件下，腐蚀速度会加快，造成加热线圈漏水，进而导致晶体生长无法进行。所以，本发明实施例通过在铜感应加热线圈4的外表面镀有镍层或者喷涂有耐高温树脂层，来避免加热线圈被氟化物气体腐蚀。此外，通过采用铂坩埚或铱金坩埚，不仅能降低生产成本，且能使熔体的径向温度梯度较大，温度调节、控制方便，熔体自然对流强，固液界面形状容易保持稳定。

本领域技术人员可以理解的是，在保温筒顶部26中间位置设置第一圆孔261的目的是为了穿过籽晶杆3以及提拉晶体，所以为了构造合适的温度梯度，且保证籽晶杆3能容易地穿过，将第一圆孔261的直径限定为60-120mm。例如，该第一圆孔261的直径可以为65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、105mm、110mm、115mm等。

具体地，上述耐高温树脂层为有机硅树脂层、丁腈橡胶层、酚醛树脂层或聚酰亚胺树脂层。上述几种耐高温树脂不仅具有较高的耐温性，且具有优异的化学稳定性及机械性能。所以，本发明实施例通过采用上述几种树脂来保证铜感应加热线圈4不被腐蚀，提高其使用寿命，并保证晶体生长过程的顺利进行。可以理解的是，通过现有的涂敷或喷涂技术即可将上述耐高温树脂涂敷在铜感应加热线圈4的外表面，且该涂层的厚度保持在0.2-1mm为宜。

发明人研究发现，感应加热系统必须采用电绝缘的保温材料，因为如果保温材料为导体，就会受电磁感应而发热；如果保温材料本身也是发热体，就会造成晶体生长的温度梯度场无法调节。在现有的流动惰性气体感应加热提拉法中，采用ZrO₂、Al₂O₃等电绝缘性的多孔陶瓷作为保温材料。但是，如果反应系统为密闭状态时，这些氧化物在高温缺氧状态下会发生如下分解反应，从而释放出大量的氧：

Al₂O₃→2AlO+1/2O₂；ZrO₂→ZrO+1/2O₂

与此同时，氧化物陶瓷内部的气孔也会吸附大量的氧分子和水分子以及-OH集团，这些分子和分子集团很难在抽真空过程中被完全除去，在高温状态下会慢慢释放到炉膛内。尽管炉膛内充入的CF₄气体或者HF气体可以与释放出的氧及水分部分发生反应，从而消耗掉大量的氧和水分子，但由于释放的氧会源源不断地产生，并会与YLF熔体和晶体发生反应，形成氟氧化物，不仅破坏晶体的质量，还会造成晶体生长无法正常进行。因此，在本发明实施例提供了一种不导电、耐腐蚀、不含氧，且对YLF晶体光学性能没有影响的新型保温筒，以用于密闭反应气氛感应加热提拉法。

具体地，如附图1所示，该保温筒包括保温筒顶部26、保温筒底部27以及连接保温筒顶部26和保温筒底部27的侧部；其中，该侧部包括由内至外依次连接的第一保温筒21、第二保温筒22、第三保温筒23、第四保温筒24和第五保温筒25；第一保温筒21、第三保温筒23和第五保温筒25的材质均为热压氮化硼陶瓷；第二保温筒22、第四保温筒24的材质均为石墨毡。

可以理解的是，上述由内至外依次连接的第一保温筒21、第二保温筒22、第三保温筒23、第四保温筒24和第五保温筒25指的是第二保温筒22套装在第一保温筒21外表面，第三保温筒23套装在第二保温筒22外表面……以及第五保温筒25套装在第四保温筒24外表面，每两个保温筒套装时为紧密接触。如此设置，以提高保温筒的保温效果及保证该保温筒的温度梯度场更加稳定。

本发明实施例通过将第一保温筒21、第三保温筒23和第五保温筒25的材质限定为热压氮化硼陶瓷，同时将第二保温筒22、第四保温筒24的材质限定为石墨毡，其所带来的效果是在晶体生长过程中，既能起到良好的保温、隔热作用，又不含氧，不会释放氧分子和水分子，不会造成氟氧化物漂浮物的产生，同时耐CF₄气体腐蚀，不会产生因保温材料腐蚀形成的漂浮物。此外，石墨毡被BN陶瓷密封，生长过程中，不会挥发出石墨颗粒。因此，可以大幅减少、甚至消除生长过程中的漂浮物。

作为优选，第一保温筒21、第二保温筒22、第三保温筒23、第四保温筒24和第五保温筒25的壁厚均为5-10mm；第一保温筒21、第三保温筒23和第五保温筒25所采用的热压氮化硼陶瓷的掺碳量均为0-10wt％，密度均大于等于1.2g/cm³。通过将上述各层保温筒的材质和壁厚进行上述设置，其效果是既提高了保温材料对红外热辐射的隔绝能力，降低了导热系数，又保证了保温材料的机械力学强度。为了进一步在保证保温材料隔热效果的同时，使其具有高的力学强度，其中，第一保温筒21和第五保温筒25所采用的热压氮化硼陶瓷的密度优选均大于等于1.8g/cm³。

由上述可知，本发明实施例提供的保温筒由保温筒顶部26、保温筒底部27和侧部构成，其中侧部为上下开口的圆筒状结构，而保温筒顶部26则由2层氮化硼陶瓷圆环构成，该氮化硼陶瓷圆环的内环构成上述的用于穿过籽晶杆3的第一圆孔261；而保温筒底部27由至少2层氮化硼陶瓷圆盘构成；该氮化硼陶瓷圆环和该氮化硼陶瓷圆盘所采用的氮化硼陶瓷的掺碳量均为0-10wt％，密度均大于等于1.2g/cm³。如此设置，能够进一步保证保温筒的保温效果，提高温场的稳定性。

可以理解的是，上述“圆环”指的是其中心处带有圆孔的环状盘；而“圆盘”指的是其表面无任何通孔的实心圆盘。此外，上述2层氮化硼陶瓷圆环的内环直径可以相同，也可以不相同。例如，与侧部接触的圆环的内环直径可以稍大于其上部圆环的内环直径。

具体地，坩埚1的内径为80-150mm，壁厚为2mm，坩埚1的高度和坩埚1的外径之比为1：1-1.5(例如1：1.1、1：1.2、1：1.3、1：1.4等)。通过将坩埚1的结构进行如上限定，以便于利用其制备得到大尺寸的高质量晶体。

更具体地，保温筒的内径根据所采用的坩埚1的尺寸确定，为了在保证保温隔热效果的同时，且便于坩埚1的安装，第一保温筒21的内径比坩埚1的外径长6-12mm(例如，7mm、8mm、9mm、10mm等)；第一保温筒21的高度为坩埚1的高度的2.5-3.5倍。

第二方面，发明人研究发现，在密闭反应气氛感应加热提拉法中，原有的流动气氛感应加热提拉法所用开式系统，打捞漂浮物方便的优势不复存在。系统中残留的少量氧和水分子，在升温熔料过程中，与原料反应形成的氟氧化物漂浮物，难以被轻易取出。如果采用电阻加热提拉法预拉漂浮物的方式，则既耗费时间，又容易引发孪晶缺陷。

基于此，本发明实施例提供了一种与上述生长装置相配合的晶体生长炉，包括加热系统、真空系统、运动系统、控制系统、炉膛。如附图2所述，该炉膛由主室5和设置在主室5上方的副室6构成；副室6和主室5之间设置有一个可开关的挡板阀门7，通过打开或者关闭该挡板阀门7，实现主室5与副室6连通或隔绝；主室5用于放置上述的生长装置；副室6的顶部中间位置设置有用于穿过籽晶杆3的第二圆孔64；副室6的顶部还设置有用于观察晶体生长情况的观察窗口63。

可以理解的是，上述加热系统、真空系统、运动系统、控制系统均为本领域晶体生长炉常见的系统，本发明实施例在此不对其作更具体的限定。此外，设置在副室6顶部的用于观察晶体生长情况的观察窗口63可以为透明CaF₂观察窗。

本发明实施例通过设置主室5用来进行晶体的生长，且在主室5上方设置副室6，并通过开启或关闭的挡板阀门7控制主室5与副室6之间实现连通或隔绝。从而能够在不停止晶体生长过程且不对生长装置进行降温的前提下，来方便的更换被漂浮物粘结的籽晶。从而实现了在保证晶体质量不受影响的前提下有效除去晶体生长过程中产生的漂浮物。

其中，上述可开关的挡板阀门7可以通过设置在晶体生长炉外面的操作把手进行控制，以便于容易地实现主室5与副室6之间的相互连通或相互隔绝。利用该类结构的晶体生长炉打捞漂浮物的具体过程如下：先用一支籽晶打捞漂浮物，打捞完毕后，将籽晶和漂浮物提升到副室6，关闭挡板阀门7，使主室5和副室6隔绝。然后打开副室6的炉门，取出漂浮物后，再更换一只新籽晶，重新关闭副室6的炉门，抽真空、充气后，开启挡板阀门7，使主室5和副室6连通，再次下籽晶，正常生长晶体，从而可消除密闭式炉膛打捞氟氧化物漂浮物困难的难题。

可以理解的是，上述晶体生长炉中，主室5和副室6均设置有充、放气阀门和抽真空阀门。亦即，主室5上设置有主室充、放气阀门51和主室抽真空阀门52，副室6上也相应设置有副室充、放气阀门61和副室抽真空阀门62，以便于向晶体生长炉内进行充放气或者抽真空处理过程。

更具体地，在实现方便地更换籽晶的前提下，避免副室6占用过多的空间，简化晶体生长炉的结构，上述主室5和副室6的高度比为3-5:1，优选为4:1；内径比为1.5-2.5:1，优选2:1。

综上所述，本发明实施例提供了这样一种用来制备高质量的掺稀土离子的氟化钇锂晶体的装置，其包括本发明实施例提供的上述带有主室5和副室6的晶体生长炉，以及设置在该晶体生长炉的主室5内部的本发明实施例提供的上述晶体生长装置。其中，籽晶杆3顺次通过第二圆孔64和第一圆孔261伸入坩埚1的内部。

第三方面，根据上述提供的生长装置和晶体生长炉，本发明实施例还提供了一种掺稀土离子的氟化钇锂晶体的制备方法，利用上述的装置以及晶体生长炉，通过感应加热密闭惰性保护气氛提拉法生长掺稀土离子的氟化钇锂晶体；

其中，该感应加热密闭惰性保护气氛提拉法依次包括：升温熔料、一次下籽晶、预拉漂浮物、二次下籽晶、放肩、等径、拉脱降温、取晶过程；

在一次下籽晶的过程中，通过开启挡板阀门7，使主室5和副室6相连通，使籽晶杆3进入坩埚1内的熔体内1-3mm左右，待熔体表面的漂浮物全部粘结到籽晶周围的晶体上时，提拉晶体至副室6，关闭挡板阀门阀7，使主室5和副室6隔绝，然后更换新的籽晶杆3，再次开启挡板阀门7，使主室5和副室6相连通，并进行所述二次下籽晶的过程。可见，本发明实施例提供的方法，通过在一次下籽晶过程中更换粘结有漂浮物的籽晶，有效提高了所制备晶体的质量。

具体地，上述方法包括以下步骤：

步骤101、将掺稀土离子的氟化钇锂晶体的生长装置放入掺稀土离子的氟化钇锂晶体的晶体生长炉的炉膛底部，即放入晶体生长炉的主室内。

步骤102、根据化学式Re_xY_1-xLiF₄的化学计量比(其中0≤x＜0.4，Re为Nd、Ho、Tm、Er、Pr中的至少一种)，将用于制备掺稀土离子的氟化钇锂晶体的原料置于生长装置中的坩埚1中，同时保持主室5和副室6连通，下籽晶杆3至主室5内，并将用于生长掺稀土离子的氟化钇锂晶体的籽晶安装到籽晶杆3上。

其中，步骤102中，所使用的用于制备掺稀土离子的氟化钇锂晶体的原料可以为纯度优于99.99％的LiF、YF₃和ReF₃(Re为Nd、Ho、Tm、Er、Pr中的至少一种)。当选用该原料时，使LiF的重量为理论重量的51/49～52/48倍，以补偿其使用过程中挥发造成的损失。用于制备掺稀土离子的氟化钇锂晶体的原料也可以为化学组成相同的纯度优于99.99％的Re:YLF多晶原料。

步骤102中，所采用的籽晶选自直径为4-6mm的<100>或者<001>方向的YLF单晶或者Re:YLF单晶(单晶与生长的掺稀土离子的氟化钇锂晶体化学成分一致)。

步骤103、关闭晶体生长炉的炉门，清洗炉膛，然后向炉膛内充入高纯氮气或者氩气至炉膛内的气体压力为0.12MPa-0.14MPa，并向炉膛内充入CF₄气体。

其中，步骤103中所述的清洗炉膛具体为：开启真空泵组和主室抽真空阀门，抽真空至炉膛内气压低于5Pa后，向炉膛内充入高纯(纯度优于99.999％)的N₂气，当炉膛压力至0.12MPa时，停止充气。保压20～30min后，再次抽真空至炉膛内气压低于5Pa，然后充入高纯氮气至0.12MPa。保压20～30min后，再抽真空至炉膛内气压低于5Pa后，充入高纯氮气。

如此反复清洗炉膛3次后，关闭真空泵，停止抽真空。向炉膛充入高纯氮气或者氩气至炉膛内气体压力在0.12-0.14MPa之间，并向炉膛内充入CF₄气体，其中，CF₄气体充入量占炉膛内气体总摩尔数的5％-20％。

步骤104、开启感应加热电源，以50-100℃/h的升温速率，升温至600-800℃，然后以5-20℃/h的升温速率，升温至原料熔化。

步骤105、待原料完全熔化为熔体后，下籽晶，使籽晶进入熔体内部的深度为1-3mm，开启晶转，使转速为8-20rpm，浸泡该籽晶，然后以0.5-3.0mm/h的拉速提拉，同时以1-10℃/h的降温速率降温，使籽晶逐渐增大，从而使熔体表面的的漂浮物逐渐粘结到籽晶周围。

当原料完全熔化后，从副室6顶部的观察窗口63观察，会发现熔体表面有一些不熔的漂浮物，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体1-3mm，优选为2mm左右，调节加热功率使籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在8-20rpm之间，浸泡籽晶，然后开启提拉电机，以拉速0.5-3.0mm/h的拉速提拉，同时以1～10℃/h的降温速率降温，让籽晶逐渐扩大，使熔体表面的漂浮物逐渐粘结到籽晶周围。

步骤106、待所有的漂浮物粘结到籽晶周围的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入副室6，并停止晶转。

步骤107、关闭挡板阀门7，使主室5和副室6隔绝，然后对副室6抽真空，当真空度低至10Pa以后，停止抽真空，对副室6进行放气，至副室6内气压与炉膛外部气压平衡时，打开副室6的炉门，从籽晶杆3上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体，将新的籽晶安装到籽晶杆3上，然后关闭副室6的炉门。

可以理解的是，所更换的新的籽晶与前述的籽晶一致。

步骤108、再次对副室6抽真空，当真空度低至5Pa以后，向炉膛内充入纯度优于99.999％的N₂气，再次清洗炉膛，然后向炉膛内充入高纯氮气或者氩气至炉膛内气体压力为0.12-0.14MPa，并向再次炉膛内充入CF₄气体。

其中，步骤108中清洗炉膛的操作与步骤103中清洗炉膛的操作步骤相同，且CF₄气体充入量占炉膛内气体总摩尔数的5％-20％。

步骤109、再次开启挡板阀门7，使主室5和副室6连通，二次下新的籽晶，使新的籽晶进入熔体内部的深度为1mm-3mm，开启晶转，使转速为4rpm-15rpm，浸泡籽晶至少1h，然后以0.4mm/h-1.0mm/h的拉速提拉，同时调节加热功率，进行掺稀土离子的氟化钇锂晶体的放肩过程，当掺稀土离子的氟化钇锂晶体的直径达到预设值后，调节加热功率，使掺稀土离子的氟化钇锂晶体等径生长。

上述步骤109中，在二次下新的籽晶的过程中。调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，在提拉晶体的过程中，慢慢调节加热功率，让晶体逐渐扩大。当晶体直径达到预设值后，调节加热功率，控制晶体开始等径生长。在等径生长过程中，根据所生长的晶体直径变化情况，实时调节加热功率，控制所生长的晶体直径基本不变。

步骤110、待掺稀土离子的氟化钇锂晶体的等径生长过程结束后，快速将掺稀土离子的氟化钇锂晶体从熔体表面拉脱，至掺稀土离子的氟化钇锂晶体的末端与熔体液面的距离为15-30mm，然后恒温0.5-2.0h。

步骤111、控制降温速率为5-20℃/h，进行降温过程，至炉膛内的温度降至20-30℃，然后将炉膛内的气体放出，打开炉门，取出掺稀土离子的氟化钇锂晶体。

可以理解的是，本发明实施例中所述的“炉膛”指的是由主室炉膛和副室炉膛构成的晶体生长炉的炉膛。

由上述可知，本发明实施例提供的方法，利用了上述生长装置和晶体生长炉，通过向密闭炉膛环境中通入CF₄反应性气体，一方面，密闭炉膛隔绝了流动气氛中反向扩散进入的氧和水蒸气与熔体和晶体反应生成氟氧化物的影响。另一方面，充入的CF₄能够与炉膛内部残留的少量氧分子和水分子发生反应，将这部分氧消耗掉，从而大幅度减少了氟氧化物漂浮物的产生，显著提高了晶体质量。可见，通过将本发明实施例提供的晶体生长装置、晶体生长炉和生长方法结合起来，可以连续、稳定地生长出各种稀土离子掺杂的高品质、大尺寸Re:YLF激光晶体。

以下将通过具体实施例进一步地描述本发明：

在以下具体实施例中操作过程未注明条件者，均按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用原料未注明生产厂商及规格者均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

本实施例采用本发明提供的图1所示结构的晶体生长装置以及图2所示结构的晶体生长炉来制备Nd:YLF晶体。其中，采用Φ150×200mm铂坩埚盛放熔体；保温筒由5层保温筒套装而成：第一层保温筒采用掺碳10wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度10mm的氮化硼(BN)陶瓷；第二层保温筒为厚度为10mm的石墨毡；第三层保温筒采用掺碳10wt％、密度≥1.2g/cm³、厚度10mm的BN陶瓷；第四层保温筒为5mm厚的石墨毡；第五层保温筒为掺碳0wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的BN陶瓷。底部的保温圆盘由5层BN陶瓷构成。顶部的保温圆环由两层内环直径为80mm的BN陶瓷环构成。保温筒的高度为坩埚高度的2.5倍，第一层保温筒的内径比坩埚外径大12mm。感应线圈为镀镍铜感应加热线圈。

Nd:YLF晶体的具体制备方法如下：以纯度为99.999％的高纯氟化钇、氟化钕、氟化锂作原料，按照Y_0.965Nd_0.035LiF₄的化学计量比，配制Nd:YLF晶体生长原料17.5kg，其中LiF的实际重量为理论计算量的52/48倍，混合均匀后分次加入铂坩埚中。以直径5mm、<100>方向的YLF单晶为籽晶，保持主副室间的挡板阀门处于打开状态，安装好籽晶后，关闭主、副室炉门。开启真空泵，打开主室或副室的抽真空阀门，当炉膛内气压低于5Pa后，关闭真空阀门。

连接炉膛的充放气阀门与高纯氮气管道，向炉膛充入纯度为99.999％的高纯氮气至炉膛内气体压力为0.12MPa，保压30min后，再次抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，再次充入高纯氮气至炉膛内气体压力达到0.12MPa，如此用高纯氮气反复清洗炉膛3次后，抽真空至炉膛内气压至5Pa后，然后充入纯度为99.999％的氩气，至炉膛内气体压力为0.13MPa。同时，向炉膛内充入10mol％的纯度为99.999％的高纯CF₄气体。关闭真空系统，开启感应加热电源，以80℃/h的速率升温熔料，当温度升高到700℃后，以低于20℃/h的升温速率升至原料熔化。原料完全熔化后，停止继续升温，保持温度恒定。

从炉膛顶部观察窗观察，会发现熔体表面有一些不熔的漂浮物，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在20rpm，浸泡籽晶，然后开启提拉电机，以拉速3.0mm/h的拉速提拉，同时以10℃/h的降温速率降温，让籽晶逐渐扩大、熔体表面的漂浮物逐渐粘结到籽晶周围。当所有漂浮物都粘结到扩大的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入副室，并停止晶转。关闭主、副室之间的挡板阀门，启动真空泵组和副室的抽真空阀门，单独对副室抽真空，当真空度低至10Pa以后，停止抽真空，打开副室的放气阀门，当副室内气压与炉膛外部气压平衡时，打开副室炉门，从籽晶杆上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体。

更换一支新的直径为5mm的<100>方向YLF籽晶后，将新籽晶垂直安装到籽晶杆上，然后关闭副室门。启动真空泵组，打开副室的抽真空阀门，再次单独对副室抽真空，当真空度低至5Pa以后，用高纯氮气清洗炉膛副室三次后，关闭抽真空阀门和真空泵，停止抽真空。向炉膛副室充入高纯氩气至炉膛内气体压力在0.13MPa，并向炉膛内充入10mol％的纯度为99.999％的CF₄气体。打开主、副室之间的挡板阀门，使炉膛的主、副室再次连通，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在12rpm，浸泡籽晶1h以上。然后开启提拉系统，以拉速0.4mm/h的拉速提拉晶体，同时慢慢调节加热功率，让晶体逐渐扩大。当晶体直径达到60mm后，调节加热功率，控制晶体开始等径生长。在等径生长过程中，根据直径变化情况，实时调节加热功率，控制晶体直径基本不变。当晶体等径长度达到130mm后，快速将晶体从熔体表面拉脱，至晶体尾部距离熔体表面15mm。恒温1h后，以10℃/h的降温速率降至室温。打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，当炉膛内外气压平衡后，打开炉门，取出Nd:YLF晶体。

经测试得到该Nd:YLF晶体的尺寸为Φ60mm(直径)×130mm(长度)，晶体外形完整，无开裂，切割头尾端面抛光后，在He-Ne激光照射下，晶体无散射、无光路，选取直径10mm、长100mm的晶体棒测试，其干涉条纹为0.15条/英寸。可见，本实施例制备得到的Nd:YLF晶体不仅具有大尺寸且具有高质量。

实施例2

本实施例采用本发明提供的图1所示结构的晶体生长装置以及图2所示结构的晶体生长炉来制备Ho:YLF晶体。其中，采用Φ120×120mm铂坩埚盛放熔体；保温筒由5层保温筒套装而成：第一层保温筒采用掺碳5wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的氮化硼(BN)陶瓷；第二层保温筒为厚度为10mm的石墨毡；第三层保温筒采用掺碳2wt％、密度≥1.2g/cm³、厚度10mm的BN陶瓷；第四层保温筒为5mm厚的石墨毡；第五层保温筒为掺碳0wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的BN陶瓷。底部的保温圆盘由5层BN陶瓷构成。顶部的保温圆环由两层内环直径为80mm的BN陶瓷环构成。保温筒的高度为坩埚高度的3.5倍，第一层保温筒的内径比坩埚外径大10mm。感应线圈为镀镍铜感应加热线圈。

Ho:YLF晶体的具体制备方法如下：以纯度为99.999％的高纯氟化钇、氟化钬、氟化锂作原料，按照Y_0.99Ho_0.01LiF₄的化学计量比，配制Ho:YLF晶体生长原料4.5kg，其中LiF的实际重量为理论计算量的51/49倍，混合均匀后分次加入铂坩埚中。以直径5mm、<100>方向的YLF单晶为籽晶，保持主副室间的挡板阀门处于打开状态，安装好籽晶后，关闭主、副室炉门。开启真空泵，打开主室或副室的抽真空阀门，当炉膛内气压低于5Pa后，关闭真空阀门。

连接炉膛的充放气阀门与高纯氮气管道，向炉膛充入纯度为99.999％的高纯氮气至炉膛内气体压力为0.12MPa，保压25min后，再次抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，再次充入高纯氮气至炉膛内气体压力达到0.12MPa，如此用高纯氮气反复清洗炉膛3次后，抽真空至炉膛内气压低于5Pa，然后充入纯度为99.999％的氩气，至炉膛内气体压力为0.14MPa。同时，向炉膛内充入5mol％的纯度为99.999％的高纯CF₄气体。关闭真空系统，开启感应加热电源，以80℃/h的速率升温熔料，当温度升高到700℃后，以20℃/h的升温速率升至原料熔化。原料完全熔化后，停止继续升温，保持温度恒定。

从炉膛顶部观察窗观察，会发现熔体表面有一些不熔的漂浮物，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在8rpm，浸泡籽晶，然后开启提拉电机，以拉速3.0mm/h的拉速提拉，同时以10℃/h的降温速率降温，让籽晶逐渐扩大、熔体表面的漂浮物逐渐粘结到籽晶周围。当所有漂浮物都粘结到扩大的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入副室，并停止晶转。关闭主、副室之间的挡板阀门，启动真空泵组和副室的抽真空阀门，单独对副室抽真空，当真空度低至10Pa以后，停止抽真空，打开副室的放气阀门，当副室内气压与炉膛外部气压平衡时，打开副室炉门，从籽晶杆上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体。

更换一支新的直径为5mm的<100>方向YLF籽晶后，将新籽晶垂直安装到籽晶杆上，然后关闭副室门。启动真空泵组，打开副室的抽真空阀门，再次单独对副室抽真空，当真空度低至5Pa以后，用高纯氮气清洗炉膛副室三次后，关闭抽真空阀门和真空泵，停止抽真空。向炉膛副室充入高纯氩气至炉膛内气体压力在0.14MPa，并向炉膛内充入5mol％的纯度为99.999％的CF₄气体。打开主、副室之间的挡板阀门，使炉膛的主、副室再次连通，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在15rpm，浸泡籽晶1h以上。然后开启提拉系统，以拉速0.5mm/h的拉速提拉晶体，同时慢慢调节加热功率，让晶体逐渐扩大。当晶体直径达到40mm后，调节加热功率，控制晶体开始等径生长。在等径生长过程中，根据直径变化情况，实时调节加热功率，控制晶体直径基本不变。当晶体等径长度达到120mm后，快速将晶体从熔体表面拉脱，至晶体尾部距离熔体表面15mm。恒温1h后，以20℃/h的降温速率降至室温。打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，当炉膛内外气压平衡后，打开炉门，取出Ho:YLF晶体。

经测试得到该Ho:YLF晶体的尺寸为Φ40mm×120mm，晶体外形完整，无开裂，切割头尾端面抛光后，在He-Ne激光照射下，晶体无散射、无光路，选取直径10mm、长100mm的晶体棒测试，其干涉条纹为0.10条/英寸。可见，本实施例制备得到的Ho:YLF晶体不仅具有大尺寸且具有高质量。

实施例3

本实施例采用本发明提供的图1所示结构的晶体生长装置以及图2所示结构的晶体生长炉来制备Tm:YLF晶体。其中，采用Φ120×180mm铂坩埚盛放熔体；保温筒由5层保温筒套装而成：第一层保温筒采用掺碳0wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度10mm的氮化硼(BN)陶瓷；第二层保温筒为厚度为10mm的石墨毡；第三层保温筒采用掺碳10wt％、密度≥1.2g/cm³、厚度10mm的BN陶瓷；第四层保温筒为5mm厚的石墨毡；第五层保温筒为掺碳5wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的BN陶瓷。底部的保温圆盘由5层BN陶瓷构成。顶部的保温圆环由两层内环直径为120mm的BN陶瓷环构成。保温筒的高度为坩埚高度的2.0倍，第一层保温筒的内径比坩埚外径大12mm。感应线圈为镀0.2mm厚的有机硅树脂层的铜感应加热线圈。

Tm:YLF晶体的具体制备方法如下：以纯度为99.999％的高纯氟化钇、氟化铥、氟化锂作原料，按照Y_0.98Tm_0.02LiF₄的化学计量比，配制Tm:YLF晶体生长原料6.0kg，其中LiF的实际重量为理论计算量的52/48倍，混合均匀后分次加入铂坩埚中。以直径6mm、<100>方向的YLF单晶为籽晶，保持主副室间的挡板阀门处于打开状态，安装好籽晶后，关闭主、副室炉门。开启真空泵，打开主室或副室的抽真空阀门，当炉膛内气压低于5Pa后，关闭真空阀门。

连接炉膛的充放气阀门与高纯氮气管道，向炉膛充入纯度为99.999％的高纯氮气至炉膛内气体压力为0.12MPa，保压20min后，再次抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，再次充入高纯氮气至炉膛内气体压力达到0.12MPa，如此用高纯氮气反复清洗炉膛3次后，抽真空至炉膛内气压低于5Pa，然后充入纯度为99.999％的氩气，至炉膛内气体压力为0.12MPa。同时，向炉膛内充入20mol％的纯度为99.999％的高纯CF₄气体。关闭真空系统，开启感应加热电源，以50℃/h的速率升温熔料，当温度升高到700℃后，以10℃/h的升温速率升至原料熔化。原料完全熔化后，停止继续升温，保持温度恒定。

从炉膛顶部观察窗观察，会发现熔体表面有一些不熔的漂浮物，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在8rpm，浸泡籽晶，然后开启提拉电机，以拉速0.5mm/h的拉速提拉，同时以1℃/h的降温速率降温，让籽晶逐渐扩大、熔体表面的漂浮物逐渐粘结到籽晶周围。当所有漂浮物都粘结到扩大的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入副室，并停止晶转。关闭主、副室之间的挡板阀门，启动真空泵组和副室的抽真空阀门，单独对副室抽真空，当真空度低至10Pa以后，停止抽真空，打开副室的放气阀门，当副室内气压与炉膛外部气压平衡时，打开副室炉门，从籽晶杆上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体。

更换一支新的直径为6mm的<100>方向YLF籽晶后，将新籽晶垂直安装到籽晶杆上，然后关闭副室门。启动真空泵组，打开副室的抽真空阀门，再次单独对副室抽真空，当真空度低至5Pa以后，用高纯氮气清洗炉膛副室三次后，关闭抽真空阀门和真空泵，停止抽真空。向炉膛副室充入高纯氩气至炉膛内气体压力在0.12MPa，并向炉膛内充入10mol％的纯度为99.999％的CF₄气体。打开主、副室之间的挡板阀门，使炉膛的主、副室再次连通，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在12rpm，浸泡籽晶1h以上。然后开启提拉系统，以拉速0.5mm/h的拉速提拉晶体，同时慢慢调节加热功率，让晶体逐渐扩大。当晶体直径达到50mm后，调节加热功率，控制晶体开始等径生长。在等径生长过程中，根据直径变化情况，实时调节加热功率，控制晶体直径基本不变。当晶体等径长度达到130mm后，快速将晶体从熔体表面拉脱，至晶体尾部距离熔体表面15mm。恒温1h后，以5℃/h的降温速率降至室温。打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，当炉膛内外气压平衡后，打开炉门，取出Tm:YLF晶体。

经测试得到该Tm:YLF晶体的尺寸为Φ50mm×130mm，晶体外形完整，无开裂，切割头尾端面抛光后，在He-Ne激光照射下，晶体无散射、无光路，选取直径10mm、长100mm的晶体棒测试，其干涉条纹为0.08条/英寸。可见，本实施例制备得到的Tm:YLF晶体不仅具有大尺寸且具有高质量。

实施例4

本实施例采用本发明提供的图1所示结构的晶体生长装置以及图2所示结构的晶体生长炉来制备Ho:Tm:YLF晶体。其中，采用Φ120mm×150mm铱金坩埚盛放熔体；保温筒由5层保温筒套装而成：第一层保温筒采用掺碳5wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度7.5mm的氮化硼(BN)陶瓷；第二层保温筒为厚度为10mm的石墨毡；第三层保温筒采用掺碳5wt％、密度≥1.2g/cm³、厚度10mm的BN陶瓷；第四层保温筒为5mm厚的石墨毡；第五层保温筒为掺碳2wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的BN陶瓷。底部的保温圆盘由4层BN陶瓷构成。顶部的保温圆环由两层内环直径为90mm的BN陶瓷环构成。保温筒的高度为坩埚高度的3.0倍，第一层保温筒的内径比坩埚外径大6mm。感应线圈为镀有1mm厚的丁腈橡胶层的铜感应加热线圈。

Ho:Tm:YLF晶体的具体制备方法如下：以纯度为99.999％的高纯氟化钇、氟化铥、氟化钬、氟化锂作原料，按照Y_0.945Ho_0.005Tm_0.05LiF₄的化学计量比，配制Ho:Tm:YLF晶体生长原料5.5kg，其中LiF的实际重量为理论计算量的52/48倍，混合均匀后分次加入铂坩埚中。以直径4mm、<100>方向的YLF单晶为籽晶，保持主副室间的挡板阀门处于打开状态，安装好籽晶后，关闭主、副室炉门。开启真空泵，打开主室或副室的抽真空阀门，当炉膛内气压低于5Pa后，关闭真空阀门。

连接炉膛的充放气阀门与高纯氮气管道，向炉膛充入纯度为99.999％的高纯氮气至炉膛内气体压力为0.12MPa，保压20min后，再次抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，再次充入高纯氮气至炉膛内气体压力达到0.12MPa，如此用高纯氮气反复清洗炉膛3次后，抽真空至炉膛内气压低于5Pa，然后充入纯度为99.999％的氩气，至炉膛内气体压力为0.12MPa。同时，向炉膛内充入10mol％的纯度为99.999％的高纯CF₄气体。关闭真空系统，开启感应加热电源，以30℃/h的速率升温熔料，当温度升高到700℃后，以15℃/h的升温速率升至原料熔化。原料完全熔化后，停止继续升温，保持温度恒定。

从炉膛顶部观察窗观察，会发现熔体表面有一些不熔的漂浮物，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在8rpm，浸泡籽晶，然后开启提拉电机，以拉速1.0mm/h的拉速提拉，同时以5℃/h的降温速率降温，让籽晶逐渐扩大、熔体表面的漂浮物逐渐粘结到籽晶周围。当所有漂浮物都粘结到扩大的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入副室，并停止晶转。关闭主、副室之间的挡板阀门，启动真空泵组和副室的抽真空阀门，单独对副室抽真空，当真空度低至10Pa以后，停止抽真空，打开副室的放气阀门，当副室内气压与炉膛外部气压平衡时，打开副室炉门，从籽晶杆上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体。

更换一支新的直径为4mm的<100>方向YLF籽晶后，将新籽晶垂直安装到籽晶杆上，然后关闭副室门。启动真空泵组，打开副室的抽真空阀门，再次单独对副室抽真空，当真空度低至5Pa以后，用高纯氮气清洗炉膛副室三次后，关闭抽真空阀门和真空泵，停止抽真空。向炉膛副室充入高纯氩气至炉膛内气体压力在0.12MPa，并向炉膛内充入10mol％的纯度为99.999％的CF₄气体。打开主、副室之间的挡板阀门，使炉膛的主、副室再次连通，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在4rpm，浸泡籽晶1h以上。然后开启提拉系统，以拉速0.4mm/h的拉速提拉晶体，同时慢慢调节加热功率，让晶体逐渐扩大。当晶体直径达到50mm后，调节加热功率，控制晶体开始等径生长。在等径生长过程中，根据直径变化情况，实时调节加热功率，控制晶体直径基本不变。当晶体等径长度达到120mm后，快速将晶体从熔体表面拉脱，至晶体尾部距离熔体表面30mm。恒温1h后，以10℃/h的降温速率降至室温。打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，当炉膛内外气压平衡后，打开炉门，取出Ho:Tm:YLF晶体。

经测试得到该Ho:Tm:YLF晶体的尺寸为Φ50mm×130mm，晶体外形完整，无开裂，切割头尾端面抛光后，在He-Ne激光照射下，晶体无散射、无光路，选取直径10mm、长100mm的晶体棒测试，其干涉条纹为0.13条/英寸。

实施例5

本实施例采用本发明提供的图1所示结构的晶体生长装置以及图2所示结构的晶体生长炉来制备Er:YLF晶体。其中，采用Φ80mm×120mm铂坩埚盛放熔体；保温筒由5层保温筒套装而成：第一层保温筒采用掺碳5wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度7.5mm的氮化硼(BN)陶瓷；第二层保温筒为厚度为10mm的石墨毡；第三层保温筒采用掺碳5wt％、密度≥1.2g/cm³、厚度10mm的BN陶瓷；第四层保温筒为7mm厚的石墨毡；第五层保温筒为掺碳0wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的BN陶瓷。底部的保温圆盘由5层BN陶瓷构成。顶部的保温圆环由两层内环直径为60mm的BN陶瓷环构成。保温筒的高度为坩埚高度的3.5倍，第一层保温筒的内径比坩埚外径大8mm。感应线圈为镀有0.5mm厚的酚醛树脂层的铜感应加热线圈。

Er:YLF晶体的制备方法如下：以纯度为99.999％的高纯氟化钇、氟化饵、氟化锂作原料，按照Y_0.5Er_0.5LiF₄的化学计量比，配制Er:YLF晶体生长原料2.1kg，其中LiF的实际重量为理论计算量的52/48倍，混合均匀后分次加入铂坩埚中。以直径4mm、<100>方向的YLF单晶为籽晶，保持主副室间的挡板阀门处于打开状态，安装好籽晶后，关闭主、副室炉门。开启真空泵，打开主室或副室的抽真空阀门，当炉膛内气压低于5Pa后，关闭真空阀门。

连接炉膛的充放气阀门与高纯氮气管道，向炉膛充入纯度为99.999％的高纯氮气至炉膛内气体压力为0.12MPa，保压20min后，再次抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，再次充入高纯氮气至炉膛内气体压力达到0.12MPa，如此用高纯氮气反复清洗炉膛3次后，抽真空至炉膛内气压低于5Pa，然后充入纯度为99.999％的氩气，至炉膛内气体压力为0.12MPa。同时，向炉膛内充入5mol％的纯度为99.999％的高纯CF₄气体。关闭真空系统，开启感应加热电源，以50℃/h的速率升温熔料，当温度升高到700℃后，以10℃/h的升温速率升至原料熔化。原料完全熔化后，停止继续升温，保持温度恒定。

从炉膛顶部观察窗观察，会发现熔体表面有一些不熔的漂浮物，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在10rpm，浸泡籽晶，然后开启提拉电机，以拉速2.0mm/h的拉速提拉，同时以8℃/h的降温速率降温，让籽晶逐渐扩大、熔体表面的漂浮物逐渐粘结到籽晶周围。当所有漂浮物都粘结到扩大的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入副室，并停止晶转。关闭主、副室之间的挡板阀门，启动真空泵组和副室的抽真空阀门，单独对副室抽真空，当真空度低至10Pa以后，停止抽真空，打开副室的放气阀门，当副室内气压与炉膛外部气压平衡时，打开副室炉门，从籽晶杆上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体。

更换一支新的直径为4mm的<100>方向YLF籽晶后，将新籽晶垂直安装到籽晶杆上，然后关闭副室门。启动真空泵组，打开副室的抽真空阀门，再次单独对副室抽真空，当真空度低至5Pa以后，用高纯氮气清洗炉膛副室三次后，关闭抽真空阀门和真空泵，停止抽真空。向炉膛副室充入高纯氩气至炉膛内气体压力在0.12MPa，并向炉膛内充入5mol％的纯度为99.999％的CF₄气体。打开主、副室之间的挡板阀门，使炉膛的主、副室再次连通，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在6rpm，浸泡籽晶1h以上。然后开启提拉系统，以拉速1.0mm/h的拉速提拉晶体，同时慢慢调节加热功率，让晶体逐渐扩大。当晶体直径达到30mm后，调节加热功率，控制晶体开始等径生长。在等径生长过程中，根据直径变化情况，实时调节加热功率，控制晶体直径基本不变。当晶体等径长度达到110mm后，快速将晶体从熔体表面拉脱，至晶体尾部距离熔体表面20mm。恒温1h后，以15℃/h的降温速率降至室温。打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，当炉膛内外气压平衡后，打开炉门，取出Er:YLF晶体。

经测试得到该Er:YLF晶体的尺寸为Φ30mm×110mm，晶体外形完整，无开裂，切割头尾端面抛光后，在He-Ne激光照射下，晶体无散射、无光路，选取直径10mm、长100mm的晶体棒测试，其干涉条纹为0.16条/英寸。

实施例6

本实施例采用本发明提供的图1所示结构的晶体生长装置以及图2所示结构的晶体生长炉来制备Pr:YLF晶体。其中，采用Φ120×120mm铂坩埚盛放熔体；保温筒由5层保温筒套装而成：第一层保温筒采用掺碳10wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的氮化硼(BN)陶瓷；第二层保温筒为厚度为10mm的石墨毡；第三层保温筒采用掺碳5wt％、密度≥1.2g/cm³、厚度10mm的BN陶瓷；第四层保温筒为10mm厚的石墨毡；第五层保温筒为掺碳0wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的BN陶瓷。底部的保温圆盘由5层BN陶瓷构成。顶部的保温圆环由两层内环直径为90mm的BN陶瓷环构成。保温筒的高度为坩埚高度的3倍，第一层保温筒的内径比坩埚外径大10mm。感应线圈为镀有0.4mm厚镍层的铜感应加热线圈。

Pr:YLF晶体的制备方法如下：以纯度为99.999％的高纯氟化钇、氟化镨、氟化锂作原料，按照Y_0.98Pr_0.02LiF₄的化学计量比，配制Pr:YLF晶体生长原料4.6kg，其中LiF的实际重量为理论计算量的52/48倍，混合均匀后分次加入铂坩埚中。以直径5mm、<100>方向的YLF单晶为籽晶，保持主副室间的挡板阀门处于打开状态，安装好籽晶后，关闭主、副室炉门。开启真空泵，打开主室或副室的抽真空阀门，当炉膛内气压低于5Pa后，关闭真空阀门。

连接炉膛的充放气阀门与高纯氮气管道，向炉膛充入纯度为99.999％的高纯氮气至炉膛内气体压力为0.12MPa，保压20min后，再次抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，再次充入高纯氮气至炉膛内气体压力达到0.12MPa，如此用高纯氮气反复清洗炉膛3次后，抽真空至炉膛内气压低于5Pa，然后充入纯度为99.999％的氩气，至炉膛内气体压力为0.12MPa。同时，向炉膛内充入8mol％的纯度为99.999％的高纯CF₄气体。关闭真空系统，开启感应加热电源，以50℃/h的速率升温熔料，当温度升高到700℃后，以10℃/h的升温速率升至原料熔化。原料完全熔化后，停止继续升温，保持温度恒定。

从炉膛顶部观察窗观察，会发现熔体表面有一些不熔的漂浮物，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在10rpm，浸泡籽晶，然后开启提拉电机，以拉速2.0mm/h的拉速提拉，同时以8℃/h的降温速率降温，让籽晶逐渐扩大、熔体表面的漂浮物逐渐粘结到籽晶周围。当所有漂浮物都粘结到扩大的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入副室，并停止晶转。关闭主、副室之间的挡板阀门，启动真空泵组和副室的抽真空阀门，单独对副室抽真空，当真空度低于10Pa以后，停止抽真空，打开副室的放气阀门，当副室内气压与炉膛外部气压平衡时，打开副室炉门，从籽晶杆上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体。

更换一支新的直径为5mm的<100>方向YLF籽晶后，将新籽晶垂直安装到籽晶杆上，然后关闭副室门。启动真空泵组，打开副室的抽真空阀门，再次单独对副室抽真空，当真空度低至5Pa以后，用高纯氮气清洗炉膛副室三次后，关闭抽真空阀门和真空泵，停止抽真空。向炉膛副室充入高纯氩气至炉膛内气体压力在0.12MPa，并向炉膛内充入8mol％的纯度为99.999％的CF₄气体。打开主、副室之间的挡板阀门，使炉膛的主、副室再次连通，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在8rpm，浸泡籽晶1h以上。然后开启提拉系统，以拉速0.6mm/h的拉速提拉晶体，同时慢慢调节加热功率，让晶体逐渐扩大。当晶体直径达到40mm后，调节加热功率，控制晶体开始等径生长。在等径生长过程中，根据直径变化情况，实时调节加热功率，控制晶体直径基本不变。当晶体等径长度达到120mm后，快速将晶体从熔体表面拉脱，至晶体尾部距离熔体表面20mm。恒温1h后，以10℃/h的降温速率降至室温。打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，当炉膛内外气压平衡后，打开炉门，取出Pr:YLF晶体。

测试得到该Pr:YLF晶体的尺寸为Φ40mm×120mm，晶体外形完整，无开裂，切割头尾端面抛光后，在He-Ne激光照射下，晶体无散射、无光路，选取直径10mm、长100mm的晶体棒测试，其干涉条纹为0.13条/英寸。

实施例7

本实施例采用本发明提供的图1所示结构的晶体生长装置以及图2所示结构的晶体生长炉来制备YLF晶体。其中，采用Φ100×120mm铂坩埚盛放熔体；保温筒由5层保温筒套装而成：第一层保温筒采用掺碳10wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的BN陶瓷；第二层保温筒为厚度为9mm的石墨毡；第三层保温筒采用掺碳5wt％、密度≥1.2g/cm³、厚度10mm的BN陶瓷；第四层保温筒为9mm厚的石墨毡；第五层保温筒为掺碳0wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的BN陶瓷。底部的保温圆盘由4层BN陶瓷圆盘构成。顶部的保温圆环由两层内环直径为80mm的BN陶瓷环构成。保温筒的高度为坩埚高度的3倍，第一层保温筒的内径比坩埚外径大10mm。感应线圈为镀有3mm厚镍层的铜感应加热线圈。

YLF晶体的制备方法如下：以纯度为99.999％的高纯氟化钇、氟化锂作原料，按照YLiF₄的化学计量比，配制YLF晶体生长原料3.2kg，其中LiF的实际重量为理论计算量的51/49倍，混合均匀后分次加入铂坩埚中。以直径4mm、<100>方向的YLF单晶为籽晶，保持主副室间的挡板阀门处于打开状态，安装好籽晶后，关闭主、副室炉门。开启真空泵，打开主室或副室的抽真空阀门，当炉膛内气压低于5Pa后，关闭真空阀门。

连接炉膛的充放气阀门与高纯氮气管道，向炉膛充入纯度为99.999％的高纯氮气至炉膛内气体压力为0.12MPa，保压20min后，再次抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，再次充入高纯氮气至炉膛内气体压力达到0.12MPa，如此用高纯氮气反复清洗炉膛3次后，抽真空至炉膛内气压低于5Pa，然后充入纯度为99.999％的氩气，至炉膛内气体压力为0.12MPa。同时，向炉膛内充入8mol％的纯度为99.999％的高纯CF₄气体。关闭真空系统，开启感应加热电源，以50℃/h的速率升温熔料，当温度升高到700℃后，以10℃/h的升温速率升至原料熔化。原料完全熔化后，停止继续升温，保持温度恒定。

从炉膛顶部观察窗观察，会发现熔体表面有一些不熔的漂浮物，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在10rpm，浸泡籽晶，然后开启提拉电机，以拉速2.0mm/h的拉速提拉，同时以8℃/h的降温速率降温，让籽晶逐渐扩大、熔体表面的漂浮物逐渐粘结到籽晶周围。当所有漂浮物都粘结到扩大的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入副室，并停止晶转。关闭主、副室之间的挡板阀门，启动真空泵组和副室的抽真空阀门，单独对副室抽真空，当真空度低于10Pa以后，停止抽真空，打开副室的放气阀门，当副室内气压与炉膛外部气压平衡时，打开副室炉门，从籽晶杆上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体。

更换一支新的直径为4mm的<100>方向YLF籽晶后，将新籽晶垂直安装到籽晶杆上，然后关闭副室门。启动真空泵组，打开副室的抽真空阀门，再次单独对副室抽真空，当真空度低至5Pa以后，用高纯氮气清洗炉膛副室三次后，关闭抽真空阀门和真空泵，停止抽真空。向炉膛副室充入高纯氩气至炉膛内气体压力在0.12MPa，并向炉膛内充入5mol％的纯度为99.999％的CF₄气体。打开主、副室之间的挡板阀门，使炉膛的主、副室再次连通，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在8rpm，浸泡籽晶1h以上。然后开启提拉系统，以拉速0.8mm/h的拉速提拉晶体，同时慢慢调节加热功率，让晶体逐渐扩大。当晶体直径达到35mm后，调节加热功率，控制晶体开始等径生长。在等径生长过程中，根据直径变化情况，实时调节加热功率，控制晶体直径基本不变。当晶体等径长度达到120mm后，快速将晶体从熔体表面拉脱，至晶体尾部距离熔体表面20mm。恒温1h后，以10℃/h的降温速率降至室温。打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，当炉膛内外气压平衡后，打开炉门，取出YLF晶体。

测试得到该YLF晶体的尺寸为Φ35mm×120mm，晶体外形完整，无开裂，切割头尾端面抛光后，在He-Ne激光照射下，晶体无散射、无光路，选取直径10mm、长100mm的晶体棒测试，其干涉条纹为0.12条/英寸。

实施例8

本实施例采用本发明提供的图1所示结构的晶体生长装置以及图2所示结构的晶体生长炉来制备Nd:YLF晶体。其中，采用Φ150×200mm铂坩埚盛放熔体；保温筒由5层保温筒套装而成：第一层保温筒采用掺碳10wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度10mm的氮化硼(BN)陶瓷；第二层保温筒为厚度为10mm的石墨毡；第三层保温筒采用掺碳10wt％、密度≥1.2g/cm³、厚度10mm的BN陶瓷；第四层保温筒为10mm厚的石墨毡；第五层保温筒为掺碳0wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的BN陶瓷。底部的保温圆盘由5层BN陶瓷构成。顶部的保温圆环由两层内环直径为120mm的BN陶瓷环构成。保温筒的高度为坩埚高度的3倍，第一层保温筒的内径比坩埚外径大12mm。感应线圈为镀镍铜感应加热线圈。

Nd:YLF晶体的制备方法如下：以纯度为99.999％的高纯氟化钇、氟化钕、氟化锂作原料，按照Y_0.965Nd_0.035LiF₄的化学计量比，配制Nd:YLF晶体生长原料17.5kg，其中LiF的实际重量为理论计算量的52/48倍，混合均匀后分次加入铂坩埚中。以直径6mm、<001>方向的Nd:YLF单晶为籽晶，保持主副室间的挡板阀门处于打开状态，安装好籽晶后，关闭主、副室炉门。开启真空泵，打开主室或副室的抽真空阀门，当炉膛内气压低于5Pa后，关闭真空阀门。

连接炉膛的充放气阀门与高纯氮气管道，向炉膛充入纯度为99.999％的高纯氮气至炉膛内气体压力为0.12MPa，保压20min后，再次抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，再次充入高纯氮气至炉膛内气体压力达到0.12MPa，如此用高纯氮气反复清洗炉膛3次后，抽真空至炉膛内气压至5Pa后，然后充入纯度为99.999％的氩气，至炉膛内气体压力为0.12MPa。同时，向炉膛内充入10mol％的纯度为99.999％的高纯CF₄气体。关闭真空系统，开启感应加热电源，以50℃/h的速率升温熔料，当温度升高到700℃后，以低于10℃/h的升温速率升至原料熔化。原料完全熔化后，停止继续升温，保持温度恒定。

从炉膛顶部观察窗观察，会发现熔体表面有一些不熔的漂浮物，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在20rpm，浸泡籽晶，然后开启提拉电机，以拉速3.0mm/h的拉速提拉，同时以10℃/h的降温速率降温，让籽晶逐渐扩大、熔体表面的漂浮物逐渐粘结到籽晶周围。当所有漂浮物都粘结到扩大的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入副室，并停止晶转。关闭主、副室之间的挡板阀门，启动真空泵组和副室的抽真空阀门，单独对副室抽真空，当真空度低至10Pa以后，停止抽真空，打开副室的放气阀门，当副室内气压与炉膛外部气压平衡时，打开副室炉门，从籽晶杆上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体。

更换一支新的直径为6mm的<001>方向Nd:YLF籽晶后，将新籽晶垂直安装到籽晶杆上，然后关闭副室门。启动真空泵组，打开副室的抽真空阀门，再次单独对副室抽真空，当真空度低至5Pa以后，用高纯氮气清洗炉膛副室三次后，关闭抽真空阀门和真空泵，停止抽真空。向炉膛副室充入高纯氩气至炉膛内气体压力在0.12MPa，并向炉膛内充入10mol％的纯度为99.999％的CF₄气体。打开主、副室之间的挡板阀门，使炉膛的主、副室再次连通，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在8rpm，浸泡籽晶1h以上。然后开启提拉系统，以拉速0.4mm/h的拉速提拉晶体，同时慢慢调节加热功率，让晶体逐渐扩大。当晶体直径达到60mm后，调节加热功率，控制晶体开始等径生长。在等径生长过程中，根据直径变化情况，实时调节加热功率，控制晶体直径基本不变。当晶体等径长度达到130mm后，快速将晶体从熔体表面拉脱，至晶体尾部距离熔体表面20mm。恒温1h后，以10℃/h的降温速率降至室温。打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，当炉膛内外气压平衡后，打开炉门，取出c轴Nd:YLF晶体。

经测试得到该c轴Nd:YLF晶体的尺寸为Φ60mm×130mm，晶体外形完整，无开裂，切割头尾端面抛光后，在He-Ne激光照射下，晶体无散射、无光路，选取直径10mm、长100mm的晶体棒测试，其干涉条纹为0.14条/英寸。

实施例9

本实施例采用本发明提供的图1所示结构的晶体生长装置以及图2所示结构的晶体生长炉来制备Nd:YLF晶体。其中，采用Φ120mm×150mm的铱金坩埚盛放熔体；保温筒由5层保温筒套装而成：第一层保温筒采用掺碳5wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度10mm的氮化硼(BN)陶瓷；第二层保温筒为厚度为7.5mm的石墨毡；第三层保温筒采用掺碳5wt％、密度≥1.2g/cm³、厚度10mm的BN陶瓷；第四层保温筒为5mm厚的石墨毡；第五层保温筒为掺碳0wt％、密度≥1.8g/cm³、厚度5mm的BN陶瓷。底部的保温圆盘由5层BN陶瓷构成。顶部的保温圆环由两层内环直径为90mm的BN陶瓷环构成。保温筒的高度为坩埚高度的3.0倍，第一层保温筒的内径比坩埚外径大6mm。感应线圈为镀镍铜感应加热线圈。

该Nd:YLF晶体的制备方法如下：以纯度为99.999％的Nd:YLF多晶料(Nd离子浓度为3.5at％)为原料，称量原料5.5kg，其中LiF的实际重量为理论计算量的52/48倍，混合均匀后分次加入铂坩埚中。以直径5mm、<100>方向的YLF单晶为籽晶，保持主副室间的挡板阀门处于打开状态，安装好籽晶后，关闭主、副室炉门。开启真空泵，打开主室或副室的抽真空阀门，当炉膛内气压低于5Pa后，关闭真空阀门。

连接炉膛的充放气阀门与高纯氮气管道，向炉膛充入纯度为99.999％的高纯氮气至炉膛内气体压力为0.12MPa，保压20min后，再次抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，再次充入高纯氮气至炉膛内气体压力达到0.12MPa，如此用高纯氮气反复清洗炉膛3次后，抽真空至炉膛内气压低于5Pa，然后充入纯度为99.999％的氩气，至炉膛内气体压力为0.12MPa。同时，向炉膛内充入10mol％的纯度为99.999％的高纯CF₄气体。关闭真空系统，开启感应加热电源，以30℃/h的速率升温熔料，当温度升高到700℃后，以10℃/h的升温速率升至原料熔化。原料完全熔化后，停止继续升温，保持温度恒定。

从炉膛顶部观察窗观察，会发现熔体表面有一些不熔的漂浮物，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在10rpm，浸泡籽晶，然后开启提拉电机，以拉速3.0mm/h的拉速提拉，同时以10℃/h的降温速率降温，让籽晶逐渐扩大、熔体表面的漂浮物逐渐粘结到籽晶周围。当所有漂浮物都粘结到扩大的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入副室，并停止晶转。关闭主、副室之间的挡板阀门，启动真空泵组和副室的抽真空阀门，单独对副室抽真空，当真空度低于10Pa以后，停止抽真空，打开副室的放气阀门，当副室内气压与炉膛外部气压平衡时，打开副室炉门，从籽晶杆上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体。

更换一支新的直径为5mm的<100>方向YLF籽晶后，将新籽晶垂直安装到籽晶杆上，然后关闭副室门。启动真空泵组，打开副室的抽真空阀门，再次单独对副室抽真空，当真空度低至5Pa以后，用高纯氮气清洗炉膛副室三次后，关闭抽真空阀门和真空泵，停止抽真空。向炉膛副室充入高纯氩气至炉膛内气体压力为0.12MPa，并向炉膛内充入10mol％的纯度为99.999％的CF₄气体。打开主、副室之间的挡板阀门，使炉膛的主、副室再次连通，慢慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体2mm左右，调节加热功率致籽晶既不变细、也不变粗为宜。开启晶转，调节转速保持在6rpm，浸泡籽晶1h以上。然后开启提拉系统，以拉速0.5mm/h的拉速提拉晶体，同时慢慢调节加热功率，让晶体逐渐扩大。当晶体直径达到40mm后，调节加热功率，控制晶体开始等径生长。在等径生长过程中，根据直径变化情况，实时调节加热功率，控制晶体直径基本不变。当晶体等径长度达到130mm后，快速将晶体从熔体表面拉脱，至晶体尾部距离熔体表面20mm。恒温1h后，以10℃/h的降温速率降至室温。打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，当炉膛内外气压平衡后，打开炉门，取出Nd:YLF晶体。

测得该Nd:YLF晶体的尺寸为Φ40mm×130mm，晶体外形完整，无开裂，切割头尾端面抛光后，在He-Ne激光照射下，晶体无散射、无光路，选取直径10mm、长100mm的晶体棒测试，其干涉条纹为0.16条/英寸。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种掺稀土离子的氟化钇锂晶体的生长装置，包括：坩埚、设置在所述坩埚外部的保温筒、设置在所述保温筒外部的铜感应加热线圈、以及穿过所述保温筒的顶部伸入所述坩埚内部的籽晶杆，其特征在于，所述保温筒的顶部中间位置设置有用于穿过所述籽晶杆的第一圆孔，所述第一圆孔的直径为60-120mm；

所述坩埚为铂坩埚或者铱金坩埚；

所述铜感应加热线圈的外表面镀有镍层或者喷涂有耐高温树脂层。

2.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于，所述耐高温树脂层为有机硅树脂层、丁腈橡胶层、酚醛树脂层或聚酰亚胺树脂层。

3.根据权利要求2所述的生长装置，其特征在于，所述保温筒包括顶部、底部以及连接所述顶部和所述底部的侧部；

所述侧部包括由内至外依次连接的第一保温筒、第二保温筒、第三保温筒、第四保温筒和第五保温筒；

所述第一保温筒、所述第三保温筒和所述第五保温筒的材质均为热压氮化硼陶瓷；

所述第二保温筒、所述第四保温筒的材质均为石墨毡。

4.根据权利要求3所述的生长装置，其特征在于，所述第一保温筒、所述第二保温筒、所述第三保温筒、所述第四保温筒和所述第五保温筒的壁厚均为5-10mm；

所述第一保温筒、所述第三保温筒和所述第五保温筒所采用的热压氮化硼陶瓷的掺碳量均为0-10wt％，密度均大于等于1.2g/cm³。

5.根据权利要求4所述的生长装置，其特征在于，所述第一保温筒和所述第五保温筒所采用的热压氮化硼陶瓷的密度均大于等于1.8g/cm³。

6.根据权利要求3-5任一项所述的生长装置，其特征在于，所述顶部由2层氮化硼陶瓷圆环构成，所述氮化硼陶瓷圆环的内环构成所述第一圆孔；

所述底部由至少2层氮化硼陶瓷圆盘构成；

所述氮化硼陶瓷圆环和所述氮化硼陶瓷圆盘中，所采用的氮化硼陶瓷的掺碳量均为0-10wt％，密度均大于等于1.2g/cm³。

7.根据权利要求6所述的生长装置，其特征在于，所述坩埚的内径为80-150mm，壁厚为2mm，所述坩埚的高度和所述坩埚的外径之比为1：1-1.5。

8.根据权利要求7所述的生长装置，其特征在于，所述第一保温筒的内径比所述坩埚的外径长6-12mm；

所述第一保温筒的高度为所述坩埚的高度的2.5-3.5倍。

9.与权利要求1-8任一项所述的生长装置相配合的晶体生长炉，包括加热系统、真空系统、运动系统、控制系统、炉膛，其特征在于，所述炉膛由主室和设置在所述主室上方的副室构成；

所述副室和所述主室之间设置有一个可开关的挡板阀门，通过开启或关闭挡板阀门，实现所述主室与所述副室连通或隔绝；

所述主室用于放置权利要求1-8任一项所述的生长装置；

所述副室的顶部中间位置设置有用于穿过籽晶杆的第二圆孔；

所述副室的顶部还设置有用于观察晶体生长情况的观察窗口。

10.根据权利要求9所述的晶体生长炉，其特征在于，所述主室和所述副室均设置有充、放气阀门和抽真空阀门。

11.一种掺稀土离子的氟化钇锂晶体的制备方法，利用权利要求1-8任一项所述的装置以及权利要求9或10所述的晶体生长炉，通过感应加热密闭惰性保护气氛提拉法生长掺稀土离子的氟化钇锂晶体；

所述感应加热密闭惰性保护气氛提拉法依次包括：升温熔料、一次下籽晶、预拉漂浮物、二次下籽晶、放肩、等径、拉脱降温、取晶过程；

在所述一次下籽晶的过程中，通过开启挡板阀门，使主室和副室相连通，使籽晶杆进入坩埚内的熔体内1-3mm左右，待熔体表面的漂浮物全部粘结到籽晶周围的晶体上时，提拉晶体至所述副室，并关闭所述挡板阀门，使主室和副室隔绝，然后更换新的籽晶，再次开启所述挡板阀门，使所述主室和所述副室相连通，并进行所述二次下籽晶的过程。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤a、将权利要求1-8任一项所述的生长装置放入权利要求9或10所述的晶体生长炉的炉膛的主室底部；

步骤b、根据化学式Re_xY_1-xLiF₄的化学计量比，其中，0≤x＜0.4，Re为Nd、Ho、Tm、Er、Pr中的至少一种，将用于制备掺稀土离子的氟化钇锂晶体的原料置于坩埚中，保持主室和副室连通，下移籽晶杆至所述主室内，并将用于生长掺稀土离子的氟化钇锂晶体的籽晶安装到籽晶杆上；

步骤c、关闭所述晶体生长炉的炉门，清洗炉膛，然后向所述炉膛内充入高纯氮气或者氩气至所述炉膛内的气体压力为0.12-0.14MPa，并向所述炉膛内充入CF₄气体；

步骤d、开启感应加热电源，以50-100℃/h的升温速率，升温至600-800℃，然后以5-20℃/h的升温速率，升温至所述原料熔化；

步骤e、待所述原料完全熔化为熔体后，下籽晶，使所述籽晶进入熔体内部的深度为1-3mm，开启晶转，使转速为8-20rpm，浸泡所述籽晶，然后以0.5-3.0mm/h的拉速提拉，同时以1-10℃/h的降温速率降温，使所述籽晶逐渐增大，从而使所述熔体表面的的漂浮物逐渐粘结到所述籽晶周围；

步骤f、待所有的漂浮物粘结到所述籽晶周围的晶体上后，停止降温，快速向上提拉晶体，将粘有所述漂浮物的晶体从熔体表面拉脱，继续向上提拉，直至拉入所述副室，并停止晶转；

步骤g、关闭挡板阀门，使所述主室和所述副室隔绝，然后对所述副室抽真空，当真空度低至10Pa以后，停止抽真空，对所述副室进行放气，至所述副室内气压与炉膛外部气压平衡时，打开所述副室的炉门，从所述籽晶杆上取下粘有漂浮物的籽晶和晶体，将新的籽晶安装到所述籽晶杆上，然后关闭所述副室的炉门；

步骤h、再次对所述副室抽真空，当真空度低至5Pa以后，向所述炉膛内充入纯度优于99.999％的N₂气，再次清洗所述炉膛，然后向所述炉膛内充入高纯氮气或者氩气至所述炉膛内气体压力为0.12-0.14MPa，并向再次所述炉膛内充入CF₄气体；

步骤i、再次打开所述挡板阀门，使所述主室和所述副室连通，二次下新的籽晶，使所述新的籽晶进入熔体内部的深度为1-3mm，开启晶转，使转速为4-15rpm，浸泡所述籽晶至少1h，然后以0.4-1.0mm/h的拉速提拉，同时调节加热功率，进行掺稀土离子的氟化钇锂晶体的放肩过程，当所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体的直径达到预设值后，调节加热功率，使所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体等径生长；

步骤j、待所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体的等径生长过程结束后，快速将所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体从所述熔体表面拉脱，至所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体的末端与熔体液面的距离为15-30mm，然后恒温0.5-2.0h；

步骤k、控制降温速率为5-20℃/h，进行降温过程，至所述炉膛内的温度降至20-30℃，然后将所述炉膛内的气体放出，打开炉门，取出所述掺稀土离子的氟化钇锂晶体。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述步骤c和所述步骤h中，所述清洗炉膛具体为：抽真空至炉膛内气压低于5Pa后，向炉膛内充入纯度优于99.999％的N₂气，当炉膛压力至0.12MPa时，停止充气，保压20-30min后，再次重复以上步骤2次，从而实现所述冲洗炉膛。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述下籽晶和所述二次下新的籽晶的过程中，通过设置在所述副室顶部的观察窗口进行观察，使籽晶进入熔体内部的深度为1-3mm，通过调节单晶炉加热功率，控制所述籽晶的几何大小不发生改变。