CN109280963A - 一种复合板状激光晶体及其倒模法制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合板状激光晶体及其倒模法制备方法，包括确定复合板状晶体的层数N(N为≥2的整数)和尺寸；根据复合板状晶体的层数N和尺寸，设计制作出相匹配的具有N个独立空间的坩埚和N个供料狭缝的模具；并通过制备生长原料、制作籽晶、搭建温场、装炉和生长晶体等工艺步骤，获得复合板状激光晶体。本发明的复合板状晶体及其倒模法制备方法，能够克服目前热键合法、提拉法和浮区法制备技术存在的缺点，实现大尺寸、高质量复合板状晶体的制备；并具有制备工艺相对简单、成本低的优点，可以有效提高产品的成品率和质量。

Description

一种复合板状激光晶体及其倒模法制备方法

技术领域

本发明涉及激光晶体制备技术领域，具体涉及一种复合板状激光晶体及其倒模法制备方法，应用于固体激光领域。

背景技术

板条激光器是高功率全固态激光的一个重要发展方向，在军事、工业和科研等领域具有广泛的应用前景。尽管目前通过设计合理的“之”字形光路，在一定程度上降低了板条状激光器的热效应，但传统的板条状固体增益介质都是均匀一致的激光晶体，因此沿抽运方向晶体吸收功率不同，在高功率抽运下仍会产生局部过热，严重制约着高功率激光光束质量的提高。因此，如何改善板条激光晶体的热均匀性，解决热效应以及温度梯度、自吸收等问题，提高输出激光的光束质量和激光效率，成为现今固体激光器研究的热点问题之一。

为解决以上问题，人们提出了复合结构的激光工作介质。最典型的复合结构就是掺杂晶体与不掺杂晶体复合成为双层或者三层结构的板状晶体，掺杂晶体即增益介质板条输出激光时产生的废热能够通过不掺杂的介质快速排出增益介质，降低了增益介质内的温度梯度和热效应。另一种复合结构是梯度掺杂的激光晶体，梯度掺杂是指激光晶体的掺杂浓度按照理论计算值呈非线性变化的激光晶体，这种晶体可以使吸收功率沿抽运方向保持恒定，达到吸收均匀的目的，改善了局部过热的问题。这两类结构的复合晶体均有利于提高激光输出的光束质量和激光效率。目前常用的复合晶体的制备方法有：热键合法、提拉法、浮区法等。

然而，热键合法需对晶体元件进行抛光、光胶、高温处理等工艺过程，对加工和高温处理工艺要求高，尤其是大面积板条元件的高精度抛光和光胶的难度极高；同时，在元件结合处会存在较为明显的键合界面，这会导致严重的激光损耗。提拉法生长复合晶体的结合界面依赖于生长出的晶体与熔体之间的固液界面形状，难以保证其为平界面，并且复合界面处易存在较多气泡、包裹物等缺陷，无法提高固体激光的光束质量和效率；同时，大截面积籽晶在引晶过程中容易开裂，亦使得提拉法无法实现大尺寸复合板状晶体的生长；另外，本方法还需进行数次晶体生长，增加了制备周期和成本。浮区法制备复合晶体的原理是，首先制备复合的棒状多晶原料，上下固定，然后通过发射镜聚焦卤素灯或者氙灯的发射光加热多晶棒料使其熔化，移动棒料使得熔区离开加热区而冷却结晶；由于熔区是由熔体的表面张力支撑，受限于熔体特性、聚焦光斑大小以及能量等条件的限制，因此浮区法也难以实现大截面尺寸复合板状晶体的生长。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，设计一种可以实现倒模法生长复合板状晶体的坩埚和模具，并提供一种可生长大尺寸、高质量复合板状晶体的倒模法制备方法，以满足高功率全固态激光技术的发展对大尺寸、高质量复合板状晶体的需求。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种复合板状激光晶体的倒模法制备方法，步骤包括

a、确定复合板状晶体的层数N(N为≥2的整数)和尺寸；

b、根据复合板状晶体的层数N和尺寸，设计制作出相匹配的坩埚和模具，所述坩埚内设有N个独立空间，所述模具包括有N个供料狭缝；

c、制备生长原料、制作籽晶、搭建温场、装炉和生长晶体。

进一步改进在于，所述坩埚为圆筒形或者长方体形。

进一步改进在于，所述坩埚内设有(N-1)个隔离板，所述隔离板均匀或者按复合板状晶体各层重量比间隔排列，将坩埚分成N个独立空间。

进一步改进在于，所述模具中每个供料狭缝的顶部设有开口，所述开口的宽度大于相连通的供料狭缝宽度。

进一步改进在于，所述供料狭缝及开口的宽度根据复合板状晶体的厚度进行设计，狭缝宽度为0.1～5mm，顶部的开口宽度可为0.2～30mm，且开口两侧高于中间相接处0.5mm以上。

进一步改进在于，所述坩埚和模具的制作材料同为铱、钨或钼中的一种。

进一步改进在于，步骤c的具体操作为

c₁、制备生长原料：根据复合板状晶体成分及设计要求，进行组分原料的计算、称量、混合配制，并压制成型，再将成型后的原料高温烧结为多晶；

c₂、制作籽晶：选取确定晶向的优质籽晶坯体，籽晶坯体截面为圆形或长方形，其一端根据模具顶部的开口形状规格加工出(N-1)个倒“V”字形结构，籽晶截面的直径或者宽度小于模具顶部的开口宽度，其另一端固定于籽晶杆夹头上；

c₃、搭建温场：构建满足晶体生长需求的温场结构；

c₄、装炉：将模具放置于坩埚中，使每个供料狭缝与坩埚中各个独立空间一一对应，保证模具与坩埚的中心对称性，并将成型的原料按照复合板状晶体设计按序放入坩埚中的独立空间内；

c₅、生长晶体：采用中频电源感应或电阻加热方式进行加热；抽真空，待炉内气压小于1×10^-3Pa时，充保护气氛Ar或者N₂，充至1.1-1.5×10⁵Pa时，升高电源功率加热至原料熔化；待熔体升至供料狭缝上端与开口相连接处，缓慢下降籽晶至其端面接触熔体，调整加热功率直至籽晶与熔体接触面稳定时间大于0.5h后，以一定的速率提拉籽晶进行复合板状晶体的生长；待生长完成后，以一定的速率进行降温，降至室温后取出晶体。

进一步改进在于，所述复合板状激光晶体中各层晶体为Y₃Al₅O₁₂、Lu₃Al₅O₁₂、Gd₃Ga₅O₁₂、Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂、Y₃Ga₅O₁₂、Gd_3xY_3(1-x)Sc₂Ga₃O₁₂(0<x<1)、Gd₃Sc₂Al₃O₁₂、Y₃Sc₂Al₃O₁₂、Gd_3xY_3(1-x)Sc₂Al₃O₁₂(0<x<1)、YVO₄、GdVO₄、Y_1-xGd_xVO₄、YAlO₃、LaAlO₃、Gd₂SiO₅、Y₂SiO₅、Sc₂SiO₅、Lu₂SiO₅、Lu_2(1-x)Y_2xSiO₅(0<x<1)、Al₂O₃、LiYF₄基质晶体中一种或者Yb³⁺、Nd³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Pr³⁺、Eu³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Ti³⁺、Cr³⁺激活离子掺入上述基质晶体后形成的激光晶体，不同层晶体中掺杂的激活离子为不同种类或为同一种类不同掺杂浓度的激活离子。

一种复合板状激光晶体，其通过上述倒模法制备方法制备而成，可用于制作固体激光器件。

本发明的有益效果在于：本发明的复合板状晶体及其倒模法制备方法，一方面能够克服目前热键合法、提拉法和浮区法制备技术存在的缺点，实现大尺寸、高质量复合板状晶体的制备；另一方面，倒模法制备大尺寸复合板状晶体具有制备工艺相对简单、成本低的特点，并可以有效提高产品的成品率和质量。因此，本发明的倒模法是制备大尺寸、高质量复合板状晶体的理想方法，能够满足高功率全固态激光技术发展的需求。

附图说明

图1为实施例1的Yb:YAG二层(YAG/Yb:YAG)复合板状晶体生长用坩埚、模具和生长示意图；

图中：1-籽晶杆，2-籽晶，3-生长出的复合板状晶体，4-坩埚盖板，51-开口，52-供料狭缝，6-隔离板，7-YAG熔体，8-Yb:YAG熔体，9-坩埚。

图2为实施例2的Nd:YAG四层(0.1at％Nd:YAG/0.2at％Nd:YAG/0.3at％Nd:YAG/0.4at％Nd:YAG)复合板状晶体生长用坩埚、模具和生长示意图；

图中：1-籽晶杆，2-籽晶，3-生长出的复合板状晶体，4-坩埚盖板，51-开口，52-供料狭缝，6-隔离板，7-0.1at％Nd:YAG熔体，8-0.2at％Nd:YAG熔体，9-0.3at％Nd:YAG熔体，10-0.4at％Nd:YAG熔体，11-坩埚。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1：中频感应加热倒模法生长二层复合Yb:YAG(1at％Yb:YAG/YAG)板状晶体，Yb:YAG晶体厚度1mm，YAG晶体厚度3mm。

如图1所示，采用金属铱制作圆筒形的坩埚9，其尺寸为内径100mm、内部高度100mm，以通过坩埚9底部圆心并垂直于坩埚9底面的铱隔离板6将坩埚9均分为2个独立空间。隔离板6高度为80mm，低于坩埚9内高，为放置模具预留有一定空间。两个模具的供料狭缝52宽度均为0.4mm，Yb:YAG和YAG晶体相应的上端开口51宽度分别为1mm和3mm，上端开口51两侧高于中间相接处1mm。

生长复合板状晶体步骤：

(1)原料制备：以高纯Y₂O₃和Al₂O₃纳米粉体为YAG晶体生长原料，按照摩尔比为Y₂O₃:Al₂O₃＝3:5的比例称取原料，然后采用混料机混合24h，后压制成Φ30mm的薄饼状原料，在1200℃下烧结24h，获得纯YAG晶体生长原料。1at％的Yb:YAG晶体生长原料采用同样方法制备。

(2)籽晶制作：选取(111)晶向的优质籽晶2坯体，籽晶2截面为圆形，一端直径略小于5mm，并根据模具开口51情况加工出一个倒“V”字形结构，籽晶2另一端直径5mm，与籽晶杆1进行固定连接。

(3)装炉：在中频提拉单晶炉膛内构建生长晶体的温场结构，将模具放置于坩埚9中，然后将成型的YAG和Yb:YAG晶体生长原料按序放入坩埚9中的独立空间内，再在埚口上部放置圆形坩埚盖板4，其中间开有与模具开口51尺寸稍大的矩形孔，保证模具、坩埚9、籽晶2和坩埚盖板4矩形孔的中心对称性。

(4)生长晶体：抽真空，待炉膛内气压小于1×10^-3Pa时，充惰性气体Ar，充至1.1-1.5×10⁵Pa时，开启中频电源进行加热，升高功率加热原料至熔化；待熔体(YAG熔体7和Yb:YAG熔体8)沿模具供料狭缝52升至上端两开口51接触处时，缓慢下降籽晶2至接触熔体，调整加热功率直至籽晶2与熔体接触的界面稳定，并且保持0.5小时以上不再变化。然后，以20mm/h的速率向上提拉籽晶2进行复合板状晶体的生长。生长出的复合板状晶体3如图所示，待生长完成后，以20-30℃/h的速率进行降温，降至室温后取出晶体。

实施例2：电阻加热倒模法生长四层复合Nd:YAG(0.1at％Nd:YA G/0.2at％Nd:YAG/0.3at％Nd:YAG/0.4at％Nd:YAG)板状浓度梯度晶体，各层晶体厚度均为2mm。

如图2所示，采用金属铱制作长方体形坩埚11，宽为160mm、长为200mm、内部高度为100mm，通过与坩埚11长度方向平行、并垂直于坩埚11底面的隔离板6将坩埚11内部均分为4个独立空间。隔离板6高度为80mm，低于坩埚11内高，为放置模具预留有一定空间。四个模具的供料狭缝52宽度均为0.5mm，上端开口51宽度分别为2mm，开口51最外两侧高度高于中间相接处1mm。

生长复合板状晶体步骤：

(1)原料制备：以高纯Nd₂O₃、Y₂O₃和Al₂O₃纳米粉体为0.1at％Nd:YAG晶体生长原料，按照摩尔比为Nd₂O₃:Y₂O₃:Al₂O₃＝0.03:2.97:5的比例称取原料，然后采用混料机混合24h，后压制成Φ50mm的薄饼状原料，在1200℃下烧结24h，获得0.1at％Nd:YAG晶体生长原料。其它浓度的晶体生长原料采用同样方法制备。

(2)籽晶制作：选取(111)晶向的优质YAG或者Nd:YAG籽晶2坯体，籽晶2一端截面为长方形，宽度略小于10mm，根据模具开口51情况加工出三个间距约为2mm倒“V”字形结构，籽晶2另一端截面为直径10mm的圆形，与籽晶杆1进行固定连接。

(3)装炉：在电阻单晶炉膛内构建生长晶体的温场结构，将模具放置于坩埚11中，然后将成型的不同浓度的Nd:YAG晶体生长原料按序放入坩埚11中的独立空间内，再在埚口上部放置矩形坩埚盖板4，其中间开有比模具开口51尺寸稍大的矩形孔，保证模具、坩埚11、籽晶2和坩埚盖板4矩形孔的中心对称性。

(4)生长晶体：抽真空，待炉内气压小于1×10^-3Pa时，充惰性气体Ar，充至1.1-1.5×10⁵Pa时，开启电源进行加热，升高功率加热原料至熔化；待熔体(0.1at％Nd:YAG熔体7，0.2at％Nd:YAG熔体8，0.3at％Nd:YAG熔体9和0.4at％Nd:YAG熔体10)沿模具供料狭缝52升至上端两开口51接触处时，缓慢下降籽晶2至接触熔体，调整加热功率直至籽晶2与熔体接触的界面稳定，并且保持0.5小时以上不再变化。然后，以10mm/h的速率向上提拉籽晶2进行复合板状晶体的生长。生长出的复合板状晶体3如图所示，待生长完成后，以10-30℃/h的速率进行降温，降至室温后取出晶体。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种复合板状激光晶体的倒模法制备方法，其特征在于：步骤包括

a、确定复合板状晶体的层数N(N为≥2的整数)和尺寸；

b、根据复合板状晶体的层数N和尺寸，设计制作出相匹配的坩埚和模具，所述坩埚内设有N个独立空间，所述模具包括有N个供料狭缝；

c、制备生长原料、制作籽晶、搭建温场、装炉和生长晶体。

2.根据权利要求1所述的一种复合板状激光晶体的倒模法制备方法，其特征在于：所述坩埚为圆筒形或者长方体形。

3.根据权利要求1所述的一种复合板状激光晶体的倒模法制备方法，其特征在于：所述坩埚内设有(N-1)个隔离板，所述隔离板均匀或者按复合板状晶体各层重量比间隔排列，将坩埚分成N个独立空间。

4.根据权利要求1所述的一种复合板状激光晶体的倒模法制备方法，其特征在于：所述模具中每个供料狭缝的顶部设有开口，所述开口的宽度大于相连通的供料狭缝宽度。

5.根据权利要求4所述的一种复合板状激光晶体的倒模法制备方法，其特征在于：所述供料狭缝及开口的宽度根据复合板状晶体的厚度进行设计，狭缝宽度为0.1～5mm，顶部的开口宽度可为0.2～30mm，且开口两侧高于中间相接处0.5mm以上。

6.根据权利要求1所述的一种复合板状激光晶体的倒模法制备方法，其特征在于：所述坩埚和模具的制作材料同为铱、钨或钼中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种复合板状激光晶体的倒模法制备方法，其特征在于：步骤c的具体操作为

c₁、制备生长原料：根据复合板状晶体成分及设计要求，进行组分原料的计算、称量、混合配制，并压制成型，再将成型后的原料高温烧结为多晶；

c₂、制作籽晶：选取确定晶向的优质籽晶坯体，籽晶坯体截面为圆形或长方形，其一端根据模具顶部的开口形状规格加工出(N-1)个倒“V”字形结构，籽晶截面的直径或者宽度小于模具顶部的开口宽度，其另一端固定于籽晶杆夹头上；

c₃、搭建温场：构建满足晶体生长需求的温场结构；

c₄、装炉：将模具放置于坩埚中，使每个供料狭缝与坩埚中各个独立空间一一对应，保证模具与坩埚的中心对称性，并将成型的原料按照复合板状晶体设计按序放入坩埚中的独立空间内；

c₅、生长晶体：采用中频电源感应或电阻加热方式进行加热；抽真空，待炉内气压小于1×10^-3Pa时，充保护气氛Ar或者N₂，充至1.1-1.5×10⁵Pa时，升高电源功率加热至原料熔化；待熔体升至供料狭缝上端与开口相连接处，缓慢下降籽晶至其端面接触熔体，调整加热功率直至籽晶与熔体接触面稳定时间大于0.5h后，以一定的速率提拉籽晶进行复合板状晶体的生长；待生长完成后，以一定的速率进行降温，降至室温后取出晶体。

8.根据权利要求1所述的一种复合板状激光晶体的倒模法制备方法，其特征在于：所述复合板状激光晶体中各层晶体为Y₃Al₅O₁₂、Lu₃Al₅O₁₂、Gd₃Ga₅O₁₂、Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂、Y₃Ga₅O₁₂、Gd_3xY_3(1-x)Sc₂Ga₃O₁₂(0<x<1)、Gd₃Sc₂Al₃O₁₂、Y₃Sc₂Al₃O₁₂、Gd_3xY_3(1-x)Sc₂Al₃O₁₂(0<x<1)、YVO₄、GdVO₄、Y_1-xGd_xVO₄、YAlO₃、LaAlO₃、Gd₂SiO₅、Y₂SiO₅、Sc₂SiO₅、Lu₂SiO₅、Lu_2(1-x)Y_2xSiO₅(0<x<1)、Al₂O₃、LiYF₄基质晶体中一种或者Yb³⁺、Nd³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Pr³⁺、Eu³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Ti³⁺、Cr³⁺激活离子掺入上述基质晶体后形成的激光晶体，不同层晶体中掺杂的激活离子为不同种类或为同一种类不同掺杂浓度的激活离子。

9.一种复合板状激光晶体，其特征在于：其通过权利要求1-8任一项所述的倒模法制备方法制备而成。