CN108004595B - 掺杂钇铝石榴石激光晶体、键合晶体及生长方法和装置 - Google Patents

掺杂钇铝石榴石激光晶体、键合晶体及生长方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种掺杂钇铝石榴石激光晶体、键合晶体及其生长方法和装置，属于激光材料领域。该掺杂钇铝石榴石激光晶体掺杂有钐离子，以及用于使所述掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收峰蓝移的掺杂离子。通过向其中掺杂钐离子和掺杂离子，来使其吸收峰蓝移，即使其吸收光谱发生蓝移，如此可提高该掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收光谱与Nd:YAG激光晶体的发射光谱的重合度，使得掺杂钇铝石榴石激光晶体对Nd3+离子在YAG晶体中的1064.15nm发射主峰的吸收系数较高，进而提高对Nd:YAG激光晶体寄生振荡的抑制效率。

Description

掺杂钇铝石榴石激光晶体、键合晶体及生长方法和装置
技术领域
本发明涉及激光材料领域，特别涉及一种掺杂钇铝石榴石激光晶体、键合晶体及其生长方法和装置。
背景技术
在含有掺钕钇铝石榴石(简称Nd:YAG)激光晶体的高功率放大系统中，Nd:YAG激光晶体作为激活介质，其在高泵浦条件下容易发生激光寄生振荡，这限制了其增益大小。所以，有必要抑制Nd:YAG激光晶体的寄生振荡。
相关技术中，采用掺钐钇铝石榴石(简称Sm:YAG)激光晶体来与Nd:YAG激光晶体键合，来抑制Nd:YAG激光晶体的寄生振荡。研究证明，Nd3+离子在YAG晶体中的1064.15nm发射主峰可以被吸收峰在1065-1078nm左右的Sm3+离子吸收，而在二极管泵浦Nd:YAG晶体的800nm的波段，Sm3+没有吸收。
发明人发现相关技术至少存在以下问题：
Sm:YAG激光晶体的吸收光谱与Nd:YAG激光晶体的发射光谱仅有少量重合，导致了Sm:YAG激光晶体对Nd3+离子在YAG晶体中的1064.15nm发射主峰的吸收系数较低，导致对Nd:YAG激光晶体寄生振荡的抑制效率较低。
发明内容
本发明实施例提供了一种掺杂钇铝石榴石激光晶体、键合晶体及其生长方法和装置，可解决上述技术问题。具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种掺杂钇铝石榴石激光晶体，掺杂有钐离子，所述掺杂钇铝石榴石激光晶体中还掺杂有用于使所述掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收峰蓝移的掺杂离子。
在一种可能的设计中，所述掺杂离子为Ca离子、Zr离子、La离子中的至少一种。
在一种可能的设计中，所述掺杂钇铝石榴石激光晶体的分子式为：
{Sm3zCa3xY3-3x-3z}[Al2-5yZr5y](Al3)O12
其中，0＜x＜0.01，0＜y＜0.01，0＜z＜0.1。
第二方面，提供了一种键合晶体，所述键合晶体包括：掺钕钇铝石榴石激光晶体、以及键合在所述掺钕钇铝石榴石激光晶体两端的第一方面所述的激光晶体。
第三方面，提供了一种掺钐钇铝石榴石激光晶体的生长装置，所述生长装置包括：保温筒；
套设于所述保温筒外部的加热线圈；
设置在所述保温筒内部的坩埚；
设置在所述保温筒顶部的过渡环；
设置在所述过渡环顶部的屏蔽环；
设置在所述屏蔽环顶部的保温盖板；
设置在所述保温盖板顶部的缩口盖板；
所述屏蔽环的侧壁上设置有观察口，所述观察口上设置有观察窗。
在一种可能的设计中，所述保温筒包括：由内至外顺次套装的内保温筒、中保温层、外保温筒；
所述内保温筒的材质为氧化锆；
所述中保温层的材质为氧化锆砂；
所述外保温筒的材质为石英。
在一种可能的设计中，所述坩埚为铱金坩埚；
在一种可能的设计中，所述过渡环、所述保温盖板和所述缩口盖板的材质均为氧化锆。
在一种可能的设计中，所述屏蔽环包括：由内至外间隙套装的内屏蔽环和外屏蔽环；
所述内屏蔽环的材质为氧化锆；
所述外屏蔽环的材质为氧化铝。
在一种可能的设计中，所述观察窗包括：设置在所述外屏蔽环上的所述观察口上的框体；
设置在所述框体内部的透明观察片；
所述框体的材质为氧化铝；
所述透明观察片的材质为钇铝石榴石或者蓝宝石。
第四方面，提供了一种掺杂钇铝石榴石激光晶体的生长方法，所述生长方法通过将第三方面所述的生长装置放入晶体生长炉内进行；
所述生长方法包括：按照所述掺杂钇铝石榴石激光晶体的化学计量比，将原料放入坩埚内；
向所述坩埚内下籽晶，关闭炉门，利用提拉法进行晶体生长。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的掺杂钇铝石榴石激光晶体，通过向其中掺杂钐离子和掺杂离子，来使其吸收峰蓝移，即使其吸收光谱发生蓝移，如此可提高该掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收光谱与Nd:YAG激光晶体的发射光谱的重合度，使得掺杂钇铝石榴石激光晶体对Nd3+离子在YAG晶体中的1064.15nm发射主峰的吸收系数较高，进而提高对Nd:YAG激光晶体寄生振荡的抑制效率。
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晶体生长装置的结构示意图；
图2是本发明实施例，实施例1所制备的掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收光谱；
图3是本发明实施例，实施例2所制备的掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收光谱；
图4是本发明实施例，实施例3所制备的掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收光谱；
图5是本发明实施例，对比例所制备的掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收光谱。
附图标记分别表示：
1-保温筒，101-内保温筒，102-中保温层，103-外保温筒，
2-加热线圈，
3-坩埚，
4-过渡环，
5-屏蔽环，501-内屏蔽环，502-外屏蔽环，503-氧化锆内环，
6-保温盖板，
7-缩口盖板，
8-观察口，
9-观察窗，901-框体，902-透明观察片，
10-底盘。
具体实施方式
除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。为使本发明的目的、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。
第一方面，本发明实施例提供了一种掺杂钇铝石榴石激光晶体，掺杂有钐离子，该掺杂钇铝石榴石激光晶体中还掺杂有用于使掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收峰蓝移的掺杂离子。
本发明实施例提供的掺杂钇铝石榴石激光晶体，通过向其中掺杂钐离子和掺杂离子，来使其吸收峰蓝移，即使其吸收光谱发生蓝移，如此可提高该掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收光谱与Nd:YAG激光晶体的发射光谱的重合度，使得掺杂钇铝石榴石激光晶体对Nd3+离子在YAG晶体中的1064.15nm发射主峰的吸收系数较高，进而提高对Nd:YAG激光晶体寄生振荡的抑制效率。
由上述可知，掺杂离子的加入使得掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收峰蓝移，并且，本发明实施例所期望的是，掺杂钇铝石榴石激光晶体蓝移后的吸收峰尽可能地接近Nd3+离子在YAG晶体中的1064.15nm发射主峰，例如其吸收峰可以在1063.8～1064.5nm之间。为了满足这个目的，掺杂离子须满足以下条件：
(1)尺寸匹配
研究发现，对于异质取代，其中相互取代的原子或离子，其半径应当相近。并且，研究学者戈德施米特(V.M.Goldschmidt)和格瑞姆(H.G.Grimm)指出：当两种质点(原子、离子或分子)的半径差不超过较小质点的15％时，就可以在晶体结构中相互代替。
本领域技术人员所公知的是，钇铝石榴石(YAG)的晶格结构式如下所示：{Y3}[Al2](Al3)O12。其中Y3+对氧离子的配位数是8，其离子半径约为即1.02埃米。而Al3+对氧离子的配位数，其中一个为6，另一个为4，其离子半径分别为和
而Sm3+离子在8面体配位中的有效离子半径约为比较接近Y3+离子的离子半径，故Sm离子可以取代部分Y3+离子形成Sm:YAG晶体。在此基础上，当向其中再添加掺杂离子时，掺杂离子的半径亦要与对应配位的Y3+离子或Al3+相接近。
(2)晶格常数匹配
研究发现，掺杂的替代离子要能增大晶体的晶格常数以促进吸收发生蓝移。晶格常数增大，粒径增大，会导致能带结构的变化，电子波函数重叠减少，结果带隙，能级间距变宽，这就导致电子由低能级向高能级跃迁及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸收带和吸收边发生蓝移。所以，在本发明实施例中，掺杂离子要能够增大掺杂钇铝石榴石激光晶体的晶格常数。
在满足上述要求的基础上，本发明实施例就掺杂离子的种类给出了一种示例，该掺杂离子可以为Ca离子、Zr离子、La离子中的至少一种。
在上述基础上，作为一种示例，当其中掺杂有Ca离子和Zr离子时，该掺杂钇铝石榴石激光晶体的分子式为：
{Sm3zCa3xY3-3x-3z}[Al2-5yZr5y](Al3)O12
其中，0＜x＜0.01，0＜y＜0.01，0＜z＜0.1。
上述提及，YAG的晶格结构式为：{Y3}[Al2](Al3)O12。YAG的晶格常数a可用下式估算：
将其中所含Y3+的离子半径以及两个Al3+的离子半径和 代入上述公式中，即可得到YAG晶体的晶格常数约为
以向Sm:YAG晶体中同时掺杂CaO及ZrO2为例，当掺入CaO及ZrO2后，所形成的掺杂钇铝石榴石激光晶体的分子式为Ca2+ 3x Zr4+ 5yY3-3x-3zA15-5yO12:Sm3z，按照配位数的方式可以写作：
{Sm3zCa3xY3-3x-3z}[Al2-5yZr5y](Al3)O12。可以看出，上述x，y，z分别代表了不同掺杂离子的浓度。
其中，Ca2+离子取代8面体配位的Y3+离子，其离子半径约为Zr4+取代6面体配位的Al3+离子，其离子半径约为则晶格常数a可用下式估算：
a＝7.02954+3.31277*[1.08*3z+1.12*3x+1.02*(3-3x-3z)]/3+2.49398*[0.53*(2-5y)+0.72*5y]/2-0.87758*[1.08*3z+1.12*3x+1.02*(3-3x-3z)]/3*[0.53*(2-5y)+0.72*5y]/2-1.38777*[1.08*3z+1.12*3x+1.02*(3-3x-3z)]/3*0.39+3.34124*0.39
通过上述公式可以计算得到，随着x，y，z的增大，其晶格常数逐渐增大，具体可参见表1。
表1晶格参数与掺杂离子浓度的关系
研究发现，利用Ca2+和Zr4+分别去替代Y3+和A13+，随着Ca2+和Zr4+的共替代量的不断增加，Ca2+和Zr4+分别逐渐替代了Y3-3x-3zA15-5yO12:Sm3z中Y3+和A13+的位置，使所形成晶体的晶格常数增大，即相当于粒径增大，但保持原有的石榴石结构不变，其收缩量与共替代量成线性关系。随着共替代量的不断增加，所形成晶体的吸收峰位发生蓝移，并且，蓝移量也与共替代量成线性关系。
第二方面，本发明实施例提供了一种键合晶体，该键合晶体包括：掺钕钇铝石榴石激光晶体、以及键合在所述掺钕钇铝石榴石激光晶体两端的第一方面所涉及的任一种激光晶体。
本发明实施例提供的键合晶体，通过将第一方面所涉及的掺杂钇铝石榴石激光晶体键合在掺钕钇铝石榴石激光晶体的两端，该掺杂钇铝石榴石激光晶体对Nd3+离子在YAG晶体中的1064.15nm发射主峰的吸收系数较高，而在二极管泵浦Nd:YAG晶体的800nm的波段，Sm3+没有吸收。如此设置，使得掺钕钇铝石榴石激光晶体在高泵浦条件下很难发生激光寄生振荡，有效提高了其增益。
本领域技术人员可以理解的是，对于第一方面所提及的掺杂钇铝石榴石激光晶体来说，由于掺杂离子与替代离子的半径不一致，随着掺杂离子的浓度越来越大，晶体的晶格会发生畸变，使得晶体内应力增大，易发生扩肩开裂及核心开裂现象。为了解决这个问题，本发明实施例针对上述的掺杂钇铝石榴石激光晶体提供一种生长装置，以改变晶体的生长环境，减少上述提及的开裂现象，使晶体得以按期望方式稳定地的生长。
第三方面，本发明实施例提供了一种掺杂钇铝石榴石激光晶体的生长装置，如附图1所示，该生长装置包括：保温筒1；
套设于保温筒1外部的加热线圈2；
设置在保温筒1内部的坩埚3；
设置在保温筒1顶部的过渡环4；
设置在过渡环4顶部的屏蔽环；
设置在屏蔽环顶部的保温盖板6；
设置在保温盖板6顶部的缩口盖板7；
屏蔽环的侧壁上设置有观察口8，观察口8上设置有观察窗9。
本发明实施例针对所要制备的掺杂钇铝石榴石激光晶体，提供了一种强适应性的生长装置，通过上述的生长装置来便于提供适合的温场结构，并且使晶体生长过程更加可控。
以下针对上述生长装置中的各个部件分别给予阐述：
对于保温筒1来说，通过在其内部放置坩埚3，来为晶体生长提供稳定的温度环境。
进一步地，该保温筒1包括：由内至外顺次套装的内保温筒101、中保温层102、外保温筒103。其中，内保温筒101的材质为氧化锆；中保温层102的材质为氧化锆砂；外保温筒103的材质为石英。
通过设置氧化锆材质的内保温筒101，以为屏蔽环5提供良好的支撑；通过设置氧化锆砂材质的中保温层102，能够提供良好的保温，同时降低功耗。通过设置石英材质的外保温筒103，以固定氧化锆砂材质的中保温层102。
其中，氧化锆砂指的是氧化锆颗粒，其颗粒度可以为2-3mm，比重为3.0-3.2g/cm3，通过将其填充并挤压在内保温筒101和外保温筒103之间，即可形成本发明实施例期望的中保温层102。
其中，内保温筒101可以设置成具有底部的筒体结构，而中保温层102和外保温筒103均可以设置成环体结构。同时，为了给它们以及生长装置整体提供良好的支撑及保温性，本发明实施例还可以在保温筒1的底部设置氧化铝底盘10。
对于加热线圈2来说，其可以通过本领域常见的射频感应加热方式来对保温筒1加热，使其达到合适的温度，以利于晶体生长。在本发明实施例中，为了达到感应加热的效果，本发明实施例所使用的坩埚3为铱金坩埚。并且，为了优化上述效果，该铱金坩埚的内径可以在120-160mm之间，高度和直径比在1-1.2之间，壁厚在2-3mm之间。
对于过渡环4来说，通过将其设置在保温筒1顶部，以确保屏蔽环5的重量不会直接作用于保温筒1上，确保生长装置的使用寿命。特别地，基于中保温层102由氧化锆砂形成，通过将过渡环4至少设置在内保温筒101顶部，而不设置在外保温筒103顶部，以避免屏蔽环5的重量不会作用于氧化锆砂上，进而避免挤裂石英材质的外保温筒103。
对于屏蔽环5来说，通过将其设置在过渡环4顶部，来反射坩埚3和晶体辐射出来的热量，从而防止因晶体热量辐射过强而导致晶体热应力过大而开裂。
其中，该屏蔽环5包括：由内至外间隙套装的内屏蔽环501和外屏蔽环502，其中，内屏蔽环501的材质为氧化锆；外屏蔽环502的材质为氧化铝。
通过将屏蔽环5设置成两层，并且使内屏蔽环501和外屏蔽环502之间存在有间隙，其目的是防止晶体生长过程中屏蔽环5在高温下裂开而引起保温外的气流直接作用于晶体，导致晶体热应力增大。
通过将内屏蔽环501的材质设置成氧化锆，其提高内屏蔽环501的耐高温能力；而将外屏蔽环502的材质设置成氧化铝，在保证基本屏蔽功能的前提下，基于其密度相对小，提高了该生长装置的使用寿命，同时成本相对低，使得该生长装置的成本也相对较低。
进一步地，可以使氧化锆材质的内屏蔽环501的高度低于氧化铝材质的外屏蔽环502的高度，此时，可以在内屏蔽环501的顶部设置氧化锆内环503，其顶部与外屏蔽环502的顶部持平或者略低，并且，氧化锆内环503的内径小于内屏蔽环501的内径，以达到形成空腔结构的效果，晶体处于该空腔时，温度均匀性相对较好，热应力较小。
进一步地，通过在外屏蔽环502和氧化锆内环503的顶部设置保温盖板6，以确保所屏蔽环5所形成的内腔温度更加均匀，当生长的晶体处于该温度相对均匀的空腔中时，能够避免晶体开裂。通过在保温盖板6的顶部设置缩口盖板7，其目的是调整空腔的温度分布。其中，缩口盖板7的内径可以为屏蔽环5内径的20％～100％。在本发明实施例中，保温盖板6和缩口盖板7的材质均可以为氧化锆，以使晶体所处的空腔整体较高，有效防止变形开裂。
通过设置观察口8及观察窗9，以便于操作人员实时观察晶体生长过程中，熔体的熔化状态及晶体生长状态，利于对晶体生长过程进行控制。
由于在晶体生长过程中，需要将该生长装置放入晶体生长炉内，并且晶体生长炉上也设置有观察窗9，为了使两个观察窗9相对地接近，以避免视线受阻，在本发明实施例中，如附图1所示，该观察窗9包括：设置在外屏蔽环502上的观察口8上的框体901；
设置在框体901内部的透明观察片902；
框体901的材质为氧化铝；
透明观察片902的材质为钇铝石榴石或者蓝宝石。
其中，通过在外屏蔽环502的观察口8上设置框体901，以适应性地接近晶体生长炉上的观察窗9。并且，该框体901选用与外屏蔽环502相同的氧化铝材质，具体可以是发泡氧化铝。
通过在框体901内部设置透明观察片902，一方面能够封堵框体901，阻挡气体流动，保证了生长装置内所形成的温场结构的对称性，另一方面能够确保视线无阻挡地进入内屏蔽环501内。并且，透明观察片902的材质可以选用耐高温且透明度较高的钇铝石榴石或者蓝宝石。
为了尽可能地扩大视线范围，方便进行籽晶观察，可以使外屏蔽环502和内屏蔽环501上的观察口8顺次向下倾斜，并且，使内屏蔽环501上的观察口8位于低端。
第四方面，本发明实施例提供了一种掺杂钇铝石榴石激光晶体的生长方法，该生长方法通过将第二方面所提及的生长装置放入晶体生长炉内进行；
该方法包括：按照掺杂钇铝石榴石激光晶体的化学计量比，将原料放入坩埚3内；
向坩埚3内下籽晶，关闭炉门，利用提拉法进行晶体生长。
本发明实施例提供的晶体生长方法，采用上述提供的生长装置来进行，能够针对掺杂钇铝石榴石激光晶体的光谱特点，为其生长提供适宜的温场环境。在此基础上，通过提拉法来生长掺杂钇铝石榴石激光晶体，对于获得不开裂的掺杂钇铝石榴石激光晶体具有重要的意义。
以下对该方法的具体操作进行进一步的描述：
其一，在获取原料时，采用纯度优于99.999％的Y2O3、Al2O3、Sm2O3作为基体原料，而掺杂原料的纯度也应优于99.99％。举例来说，当掺杂离子为Ca2+和Zr4+时，可以CaO、ZrO2作为掺杂原料，并且，上述各种原料的重量可以按照化学式{Sm3zCa3xY3-3x-3z}[Al2-5yZr5y](Al3)O12所示的化学计量比进行选择(其中，x、y、z为掺杂离子浓度)。当然，各种原料的重量还应当满足坩埚所能盛装的总量。确定各种原料的重量后，将它们混合均匀后放入坩埚内即可。
由于Y2O3、Al2O3、Sm2O3的用量较多，为了确保化学计量配比准确，在对它们进行称量之前需要先进行烧料操作，以去除其中的水分。
其二，在下籽晶时，可以采用直径为5～6mm的<111>方向的YAG单晶或者Sm:YAG单晶作为籽晶，将籽晶垂直安装到晶体生长炉的籽晶杆上，并调整籽晶杆的位置，使籽晶中心与坩埚中心一致。
其三，在籽晶安装好后，关闭炉门，利用提拉法进行晶体生长。为了避免晶体开裂，可以如下述的操作步骤进行晶体生长过程：
首先，开启真空泵组，抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，开启感应加热电源，使与其电性连接的加热线圈发热，并以50～80℃/h的升温速率升温熔料，当炉内温度升高到450℃-550℃时，恒温1-2小时。然后，从炉膛进气口处向炉膛充入高纯氩气(纯度高于99.99％)至炉膛内气压为0.008-0.012MPa(例如0.01MPa)。充气完毕关闭真空泵组，继续以50～80℃/h的速率升温熔料，随着升温过程的进行，炉膛内气压会逐渐增大，为了使晶体直径可控，熔料期间通过调整气体出口放气阀来保持炉膛气压至0.02MPa。
在此过程中，从晶体生长炉的观察窗并透过生长装置的观察窗来观察原料的熔化状态，待原料完全熔化后，缓慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体内2mm左右(例如在1.5mm-2.5mm之间)。开启晶转，调节其转速保持在8rpm～20rpm之间，调节加热功率以保持籽晶既不变细、也不变粗。然后，启动自动控径软件，调整该软件的升降温幅度以使籽晶按照设定的外形进行生长。其中，拉速设置为0.5mm/h-3.0mm/h。
当晶体等径长度达到要求后，开启降温程序，以5℃/h-30℃/h的降温速率降至室温。等待8-12个小时后，打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，然后打开炉门，即可取出本发明实施例所期望的掺钐钇铝石榴石掺杂钇铝石榴石激光晶体。
需要说明的是，在进行上述晶体生长过程中所涉及的晶体生长炉为本领域所常见的，并且，与其配套设置的控制系统，其至少包含有上述的自动控径软件、晶转转速控制器、温度控制器等，也为本领域所常见的。
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，所涉及的操作未注明条件者，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
本实施例提供了一种掺杂钇铝石榴石激光晶体，其分子式为{Sm3zCa3xY3-3x-3z}[Al2-5yZr5y](Al3)O12，其中，x＝0.005，y＝0.005，z＝0.03。
通过将本发明实施例提供的生长装置放入晶体生长炉内来制备该晶体，具体操作步骤如下所示：
按照掺杂钇铝石榴石激光晶体的化学计量比，将预定量的纯度优于99.999％的Y2O3、Al2O3、Sm2O3，以及纯度优于99.99％的CaO、ZrO2混合均匀，放入坩埚内。
采用直径为6mm的<111>方向的YAG单晶或者Sm:YAG单晶作为籽晶，将籽晶垂直安装到晶体生长炉的籽晶杆上，并调整籽晶杆的位置，使籽晶中心与坩埚中心一致。
籽晶安装好后，关闭炉门，开启真空泵组，抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，开启感应加热电源，使与其电性连接的加热线圈发热，并以60℃/h的升温速率升温熔料，当炉内温度升高到500℃时，恒温1小时。然后，从炉膛进气口处向炉膛充入纯度高于99.99％的高纯氩气，至炉膛内气压为0.01MPa。充气完毕关闭真空泵组，继续以70℃/h的速率升温熔料，熔料期间通过调整气体出口放气阀来保持炉膛气压至0.02MPa。
在此过程中，从晶体生长炉的观察窗并透过生长装置的观察窗来观察原料的熔化状态，待原料完全熔化后，缓慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体内2mm左右。开启晶转，调节其转速保持在15rpm之间，调节加热功率以保持籽晶既不变细、也不变粗。然后，启动自动控径软件，调整该软件的升降温幅度以使籽晶按照设定的外形进行生长。其中，拉速设置为2mm/h，等径降温速率为1℃/h。
当晶体等径长度达到要求后，开启降温程序，以20℃/h的降温速率降至室温。等待10个小时后，打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，然后打开炉门，即可取出本发明实施例所期望的掺杂钇铝石榴石激光晶体。实验证明，该掺杂钇铝石榴石激光晶体并未发生开裂现象。
实施例2
本实施例提供了一种掺杂钇铝石榴石激光晶体，其分子式为{Sm3zCa3xY3-3x-3z}[Al2-5yZr5y](Al3)O12，其中，x＝0.008，y＝0.008，z＝0.05。
通过将本发明实施例提供的生长装置放入晶体生长炉内来制备该晶体，具体操作步骤如下所示：
按照掺杂钇铝石榴石激光晶体的化学计量比，将预定量的纯度优于99.999％的Y2O3、Al2O3、Sm2O3，以及纯度优于99.99％的CaO、ZrO2混合均匀，放入坩埚内。
采用直径为6mm的<111>方向的YAG单晶或者Sm:YAG单晶作为籽晶，将籽晶垂直安装到晶体生长炉的籽晶杆上，并调整籽晶杆的位置，使籽晶中心与坩埚中心一致。
籽晶安装好后，关闭炉门，开启真空泵组，抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，开启感应加热电源，使与其电性连接的加热线圈发热，并以70℃/h的升温速率升温熔料，当炉内温度升高到510℃时，恒温1.5小时。然后，从炉膛进气口处向炉膛充入纯度高于99.99％的高纯氩气，至炉膛内气压为0.01MPa。充气完毕关闭真空泵组，继续以60℃/h的速率升温熔料，熔料期间通过调整气体出口放气阀来保持炉膛气压至0.02MPa。
在此过程中，从晶体生长炉的观察窗并透过生长装置的观察窗来观察原料的熔化状态，待原料完全熔化后，缓慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体内2mm左右。开启晶转，调节其转速保持在14rpm之间，调节加热功率以保持籽晶既不变细、也不变粗。然后，启动自动控径软件，调整该软件的升降温幅度以使籽晶按照设定的外形进行生长。其中，拉速设置为3mm/h，等径降温速率为2℃/h。
当晶体等径长度达到要求后，开启降温程序，以25℃/h的降温速率降至室温。等待9个小时后，打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，然后打开炉门，即可取出本发明实施例所期望的掺杂钇铝石榴石激光晶体。实验证明，该掺杂钇铝石榴石激光晶体并未发生开裂现象。
实施例3
本实施例提供了一种掺杂钇铝石榴石激光晶体，其分子式为{Sm3zCa3xY3-3x-3z}[Al2-5yZr5y](Al3)O12，其中，x＝0.01，y＝0.01，z＝0.1。
通过将本发明实施例提供的生长装置放入晶体生长炉内来制备该晶体，具体操作步骤如下所示：
按照掺杂钇铝石榴石激光晶体的化学计量比，将预定量的纯度优于99.999％的Y2O3、Al2O3、Sm2O3，以及纯度优于99.99％的CaO、ZrO2混合均匀，放入坩埚内。
采用直径为6mm的<111>方向的YAG单晶或者Sm:YAG单晶作为籽晶，将籽晶垂直安装到晶体生长炉的籽晶杆上，并调整籽晶杆的位置，使籽晶中心与坩埚中心一致。
籽晶安装好后，关闭炉门，开启真空泵组，抽真空至炉膛内气压低于10Pa后，开启感应加热电源，使与其电性连接的加热线圈发热，并以70℃/h的升温速率升温熔料，当炉内温度升高到505℃时，恒温2小时。然后，从炉膛进气口处向炉膛充入纯度高于99.99％的高纯氩气，至炉膛内气压为0.012MPa。充气完毕关闭真空泵组，继续以70℃/h的速率升温熔料，熔料期间通过调整气体出口放气阀来保持炉膛气压至0.02MPa。
在此过程中，从晶体生长炉的观察窗并透过生长装置的观察窗来观察原料的熔化状态，待原料完全熔化后，缓慢将籽晶下降到熔体表面，并进入熔体内2mm左右。开启晶转，调节其转速保持在18rpm之间，调节加热功率以保持籽晶既不变细、也不变粗。然后，启动自动控径软件，调整该软件的升降温幅度以使籽晶按照设定的外形进行生长。其中，拉速设置为1.5mm/h，等径降温速率为1℃/h。
当晶体等径长度达到要求后，开启降温程序，以15℃/h的降温速率降至室温。等待11个小时后，打开炉门放气阀，将炉膛内的气体放出，然后打开炉门，即可取出本发明实施例所期望的掺杂钇铝石榴石激光晶体。实验证明，该掺杂钇铝石榴石激光晶体并未发生开裂现象。
对比例
本对比例提供了一种掺杂钇铝石榴石激光晶体，其中掺杂有原子百分含量为3.0at％的钐离子。
通过将本发明实施例提供的生长装置放入晶体生长炉内来制备该晶体，具体操作步骤与实施例1相同，在此不再赘述。
应用实施例
本实施例对实施例1-3以及对比例所提供的掺杂钇铝石榴石激光晶体进行光谱测试，所获取的光谱图分别参见图2、图3、图4及图5。
由图2至图4可知，当其中掺杂有掺杂离子后，所形成的掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收峰相比未掺杂的掺杂钇铝石榴石激光晶体(图5)发生了蓝移，并且，随着掺杂离子的浓度逐渐增加，掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收峰的蓝移量也随之增加，更加接近Nd3+离子在YAG晶体中的1064.15nm发射主峰，对于提高Nd:YAG激光晶体寄生振荡的抑制效率具有重要的意义。
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 (8)

1.一种掺杂钇铝石榴石激光晶体，掺杂有钐离子，其特征在于，所述掺杂钇铝石榴石激光晶体中还掺杂有用于使所述掺杂钇铝石榴石激光晶体的吸收峰蓝移的掺杂离子，所述掺杂离子包括Ca2+和Zr4+，所述Ca2+和Zr4+分别替代了Y3-3x-3zA15-5yO12:Sm3z中所述Y3+和A13+的位置；
所述掺杂钇铝石榴石激光晶体的分子式为{Sm3zCa3xY3-3x-3z}[Al2-5yZr5y](Al3)O12，其中，0＜x＜0.01，0＜y＜0.01，0＜z＜0.1。
2.一种键合晶体，其特征在于，所述键合晶体包括：掺钕钇铝石榴石激光晶体、以及键合在所述掺钕钇铝石榴石激光晶体两端的权利要求1所述的激光晶体。
3.一种如权利要求1或2所述的掺杂钇铝石榴石激光晶体的生长方法，其特征在于，所述生长方法通过将掺钐钇铝石榴石激光晶体的生长装置放入晶体生长炉内进行；
所述生长方法包括：按照所述掺杂钇铝石榴石激光晶体的化学计量比，将预定量的纯度优于99.999％的Y2O3、Al2O3、Sm2O3，以及纯度优于99.99％的CaO、ZrO2混合均匀，放入坩埚内；
向所述坩埚(3)内下籽晶，关闭炉门，利用提拉法进行晶体生长。
4.一种如权利要求3所述的掺钐钇铝石榴石激光晶体的生长装置，其特征在于，所述生长装置包括：保温筒(1)；
套设于所述保温筒(1)外部的加热线圈(2)；
设置在所述保温筒(1)内部的坩埚(3)；
设置在所述保温筒(1)顶部的过渡环(4)；
设置在所述过渡环(4)顶部的屏蔽环(5)；
设置在所述屏蔽环(5)顶部的保温盖板(6)；
设置在所述保温盖板(6)顶部的缩口盖板(7)；
所述屏蔽环(5)的侧壁上设置有观察口(8)，所述观察口(8)上设置有观察窗(9)。
5.根据权利要求4所述的生长装置，其特征在于，所述保温筒(1)包括：由内至外顺次套装的内保温筒(101)、中保温层(102)、外保温筒(103)；
所述内保温筒(101)的材质为氧化锆；
所述中保温层(102)的材质为氧化锆砂；
所述外保温筒(103)的材质为石英。
6.根据权利要求4所述的生长装置，其特征在于，所述坩埚(3)为铱金坩埚；
所述过渡环(4)、所述保温盖板(6)和所述缩口盖板(7)的材质均为氧化锆。
7.根据权利要求4所述的生长装置，其特征在于，所述屏蔽环(5)包括：由内至外间隙套装的内屏蔽环(501)和外屏蔽环(502)；
所述内屏蔽环(501)的材质为氧化锆；
所述外屏蔽环(502)的材质为氧化铝。
8.根据权利要求7所述的生长装置，其特征在于，所述观察窗(9)包括：设置在所述外屏蔽环(502)上的所述观察口(8)上的框体(901)；
设置在所述框体(901)内部的透明观察片(902)；
所述框体(901)的材质为氧化铝；
所述透明观察片(902)的材质为钇铝石榴石或者蓝宝石。
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