CN109695057A - 一种钛宝石晶体生长装置和方法 - Google Patents
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Classifications
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- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
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Abstract
本发明涉及一种钛宝石晶体生长装置和方法。该装置包括真空炉膛、钨质坩埚、热场、热交换器和真空泵,还包括一个固定于真空炉膛顶盖上部的生长界面探测装置。利用本发明所述的晶体生长装置,经装炉、熔料、过热、结晶、原位退火、冷却等步骤,可实现大尺寸钛宝石晶体的生长。本发明提供的钛宝石晶体生长方法成本低,同时所生长的钛宝石晶体具有高光学均匀性、低应力的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛宝石晶体生长装置和方法,属于晶体生长领域。
背景技术
激光脉冲峰值功率达到拍瓦(即PW,1015W)、脉冲宽度达到数十飞秒级(即fs,10~15s)的超强超短激光,是目前已知的最亮光源,能在较小的空间内创造出前所未有的超高能量密度、超强电磁场和超快时间尺度综合性极端物理条件。产生拍瓦超强激光需要大尺寸、高光学均匀性、低应力的钛宝石晶体作为增益介质。
钛宝石晶体生长方法主要包括提拉法(Cz),热交换法(HEM),泡生法(Ky),水平定向结晶法(HDS)和导向温度梯度法(TGT)。截止目前,仅有热交换法能够生长出直径超过以上的钛宝石晶体。已有的热交换法晶体生长设备中均采用电阻加热模式,晶体生长温场上部温度梯度较小,所生长的钛宝石晶体通常存在光学均匀性差、缺陷多的缺点,不利于拍瓦超强激光系统的深入应用。同时,电阻加热模式导致能耗大、成本高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足,提出了一种适用于生长大尺寸钛宝石激光晶体的装置和方法。
该装置为一种改进的热交换晶体生长装置,主要包括真空炉膛、钨质坩埚、热场、热交换器、真空泵和生长界面探测装置。所用的加热器方式为圆形的感应线圈加热;生长界面探测装置安装于炉膛顶盖的上方,穿过顶盖中心孔洞,使用法兰和密封圈固定。该液面探测装置主要由钨棒、丝杠、光轴、升降手摇、石英管、热电偶、纯铁、永磁体和金属刻度尺组成;钨棒和热电偶的一端安装一金属扣头,穿过纯铁固定在真空石英管内,石英管外装有一永磁体,用于吸附固定钨棒和热电偶的纯铁。该石英管位于光轴和丝杠中间,丝杠上安装一个升降手摇,用于控制钨棒和热电偶的升降;在光轴侧面安装有金属刻度尺和游标,当真空石英管内的钨棒接触到坩埚内的晶体-熔体界面时,由于阻力上浮,钨棒顶端的扣头脱离纯铁,记录此时的界面高度。需要注意的是,通过该装置测量得到的相对界面高度才具有实际意义。
钨棒和热电偶的数量可以为1~5根,优选的为4根,分别测量坩埚正中心和等边三角形顶角处位置;
次优选的为5根,分别测量坩埚的正中心和正方形四个顶角处位置;
次优选的为3根,分别测量坩埚的正中心和等距的直线顶点处位置;
次优选的为2根,分别测量坩埚的正中心和另外一点处位置;
次优选的为1根,仅仅测量坩埚正中心位置。
所述的一种钛宝石晶体生长方法,其特征在于该方法所涉及的晶体生长步骤包括:
S1装炉:将钨质坩埚对正真空炉膛中心,并与热交换器的热交换杆充分接触,再在钨质坩埚内放置籽晶、氧化铝原料、三氧化二钛原料,架上保温层,将生长界面探测装置移至真空炉膛顶部中心,摇动升降手摇使钨棒和热电偶降至原料上方;关闭炉盖,运行真空系统,至真空达到10-3Pa量级后关闭,充入氩气和氢气的混合气体,氩气和氢气体积比设置为1:1~1:9;
S2熔料:升高炉内温度,使坩埚内原料逐步熔化,升温速率设置为100~200℃/h,升温过程中一直向热交换器中通入氦气以保证籽晶不被完全熔化;熔料过程中,将生长界面探测装置下摇,待与固液界面接触时,钨棒上端的金属扣头上浮,记录此时的界面高度与温度,通过多次测量,掌握原料熔化情况;
S3过热:待原料全部熔化后,继续升高温度,使熔体处于过热状态,过热温度设置为40~50℃;
S4结晶:通过温度控制模式,使熔体温度缓慢降低,逐渐结晶,该阶段热交换气流量升高斜率设置为0.1~0.5SCFH;此阶段将生长界面探测装置下摇,待与固液界面接触时,钨棒上端的金属扣头上浮,记录界面高度与温度,通过多次测量,掌握晶体生长情况;
S5原位退火:当晶体温度降温至1900~2000℃时恒温,进行原位退火,退火时间设置为5~20h;
S6冷却:通过功率控制模式,使结晶的晶体逐步冷却至室温,功率降低斜率设置为-50W/h~-500W/h,最终完成晶体生长。
本发明的技术效果:
(1)通过钨棒探测生长界面,可以解决肉眼观测不便和不准确问题。钨棒测得的相对界面高度,可以体现原料熔化程度;多根钨棒可同时测量不相同位置的界面高度;热电偶可以及时监测炉内温度,不同位置的温度反馈直观地体现了温场的均匀度,不仅对晶体生长时的温场控制有利,同时对于下一次的晶体生长温场设计具有指导意义。
(2)利用感应加热热交换法晶体生长设备,经装炉、熔料、过热、结晶、原位退火、冷却等步骤,可实现大尺寸钛宝石晶体的生长。本发明提供的钛宝石晶体生长方法成本低,同时所生长的钛宝石晶体具有高光学均匀性、低应力的优点。
附图说明
图1是生长大尺寸钛宝石激光晶体的装置侧面剖开图,其中1为真空炉膛,2为坩埚,3为热场,4为热交换器,5为生长液面探测装置,51为钨棒,52为丝杠,53为光轴,54为升降手摇,55为石英管,56为热电偶,57为纯铁,58为永磁体,59为金属刻度尺;
图2是晶体生长界面探测装置5的局部放大图。
图3是一种包含4根钨棒和热电偶的生长界面探测装置5俯视图。
具体实施方式
实施例1
使用本发明提供的感应加热热交换炉设备进行钛宝石晶体生长。本实施例中,钨棒和热电偶的数量分别为4根,分别位于坩埚正中心和等边三角形顶角处位置。将钨质坩埚对中心,并与热交换杆充分接触,坩埚内依次放置a切向籽晶、氧化铝原料、三氧化二钛原料,架上保温层;调节炉膛上方的液面探测装置,将钨棒与热电偶下摇至原料上方;关闭炉盖,运行真空系统,至真空达到2×10-3Pa后关闭,充入氩气和氢气的混合气体,氩气和氢气体积比为1:1。升高炉内温度,使坩埚内原料逐步熔化,升温速率为150℃/h;将探测装置下摇,待与固液界面接触时,钨棒上端的金属扣头上浮,测量高度为92cm、温度为2048℃;熔料过程中,多次测量以掌握原料熔化情况;待原料全部熔化后,钨棒与热电偶位置不再变化,继续升高温度45℃,使熔体处于过热状态。设置热交换气流量升高斜率为0.2SCFH,使熔体逐渐结晶;在晶体结晶过程中,此阶段将探测装置下摇与界面接触时记录温度为2050℃、高度为86cm,通过几次测量可以掌握晶体生长的情况;当晶体温度降温至1900℃时恒温10h进行原位退火。后续切换成功率控制模式,设置功率降低斜率为-200W/h,完成晶体生长。所生长的晶体经加工处理形成的钛宝石晶体元件。经检测晶体元件光学均匀性为2.3×10-5,应力双折射为10nm/cm。
实施例2
使用本发明提供的感应加热热交换炉设备进行钛宝石晶体生长。本实施例中,钨棒和热电偶的数量分别为5根,分别位于坩埚的正中心和正方形四个顶角处位置。将钨质坩埚对中心,并与热交换杆充分接触,坩埚内依次放置a切向籽晶、氧化铝原料、三氧化二钛原料,架上保温层;调节炉膛上方的液面探测装置,将钨棒与热电偶下摇至原料上方;关闭炉盖,运行真空系统,至真空达到2×10-3Pa后关闭,充入氩气和氢气的混合气体,氩气和氢气体积比为1:9。升高炉内温度,使坩埚内原料逐步熔化,升温速率为100℃/h;将探测装置下摇,待与固液界面接触时,钨棒上端的金属扣头上浮,测量高度为81cm、温度为2049℃;熔料过程中,多次测量以掌握原料熔化情况;待原料全部熔化后,钨棒与热电偶位置不再变化,继续升高温度50℃,使熔体处于过热状态。设置热交换气流量升高斜率为0.1SCFH,使熔体逐渐结晶;在晶体结晶过程中,此阶段将探测装置下摇与界面接触时记录温度为2050℃、高度为73cm,通过几次测量可以掌握晶体生长的情况;当晶体温度降温至2000℃时恒温5h进行原位退火。后续切换成功率控制模式,设置功率降低斜率为-50W/h,完成晶体生长。所生长的晶体经加工处理形成的钛宝石晶体元件。经检测晶体元件光学均匀性为4.3×10-5,应力双折射为15nm/cm。
实施例3
使用本发明提供的感应加热热交换炉设备进行钛宝石晶体生长。本实施例中,钨棒和热电偶的数量分别为1根,位于坩埚正中心位置。将钨质坩埚对中心,并与热交换杆充分接触,坩埚内依次放置a切向籽晶、氧化铝原料、三氧化二钛原料,架上保温层;调节炉膛上方的液面探测装置,将钨棒与热电偶下摇至原料上方;关闭炉盖,运行真空系统,至真空达到2×10-3Pa后关闭,充入氩气和氢气的混合气体,氩气和氢气体积比为1:5。升高炉内温度,使坩埚内原料逐步熔化,升温速率为200℃/h;将探测装置下摇,待与固液界面接触时,钨棒上端的金属扣头上浮,测量高度为84cm、温度为2051℃;熔料过程中,多次测量以掌握原料熔化情况;待原料全部熔化后,钨棒与热电偶位置不再变化,继续升高温度40℃,使熔体处于过热状态。设置热交换气流量升高斜率为0.5SCFH,使熔体逐渐结晶;在晶体结晶过程中,此阶段将探测装置下摇与界面接触时记录温度为2050℃、高度为72cm,通过几次测量可以掌握晶体生长的情况;当晶体温度降温至1950℃时恒温20h进行原位退火。后续切换成功率控制模式,设置功率降低斜率为-500W/h,完成晶体生长。所生长的晶体经加工处理形成的钛宝石晶体元件。经检测晶体元件光学均匀性为5.5×10-5,应力双折射为18nm/cm。
Claims (8)
1.一种钛宝石晶体生长装置,其特征在于,该生长装置为感应加热热交换法设备,包括真空炉膛(1)、钨质坩埚(2)、热场(3)、热交换器(4)和真空泵,还包括一个固定于真空炉膛(1)顶盖上部的生长界面探测装置(5),所述的生长界面探测装置(5)包括钨棒(51)、丝杠(52)、光轴(53)、升降手摇(54)、石英管(55)、热电偶(56)、纯铁(57)、永磁体(58)和金属刻度尺(59);钨棒(51)和热电偶(56)的一端安装一金属扣头,穿过一纯铁(57)固定在真空石英管(55)内,石英管(55)外装有一永磁体(58),用于吸附固定钨棒(51)和热电偶(56)的纯铁(57),真空石英管(55)位于光轴(53)和丝杠(52)中间,丝杠(52)上安装有升降手摇(54),用于控制钨棒(51)和热电偶(56)的升降,金属刻度尺(59)和游标安装在光轴(53)侧面。
2.根据权利要求1所述的钛宝石晶体生长装置,其特征在于,钨棒(51)和热电偶(56)的数量分别为1~5根。
3.根据权利要求1或2所述的钛宝石晶体生长装置,其特征在于,钨棒(51)和热电偶(56)的数量分别为4根,分别位于坩埚正中心和等边三角形顶角处位置。
4.根据权利要求1或2所述的钛宝石晶体生长装置,其特征在于,钨棒(51)和热电偶(56)的数量分别为5根,分别位于坩埚的正中心和正方形四个顶角处位置。
5.根据权利要求1或2所述的钛宝石晶体生长装置,其特征在于,钨棒(51)和热电偶(56)的数量分别为3根,分别位于坩埚的正中心和等距的直线顶点处位置。
6.根据权利要求1或2所述的钛宝石晶体生长装置,其特征在于,钨棒(51)和热电偶(56)的数量分别为2根,分别位于坩埚的正中心和另外一点处位置。
7.根据权利要求1或2所述的钛宝石晶体生长装置,其特征在于,钨棒(51)和热电偶(56)的数量分别为1根,位于坩埚正中心位置。
8.一种使用权利要求1所述的钛宝石晶体生长装置进行钛宝石晶体生长的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
S1装炉:将钨质坩埚(2)对正真空炉膛(1)中心,并与热交换器(4)的热交换杆充分接触,再在钨质坩埚(2)内放置籽晶、氧化铝原料、三氧化二钛原料,架上保温层,将生长界面探测装置(5)移至真空炉膛(1)顶部中心,摇动升降手摇(54)使钨棒(51)和热电偶(56)降至原料上方;关闭炉盖,运行真空系统,至真空达到10-3Pa量级后关闭,充入氩气和氢气的混合气体,氩气和氢气体积比设置为1:1~1:9;
S2熔料:升高炉内温度,使坩埚内原料逐步熔化,升温速率设置为100~200℃/h,升温过程中一直向热交换器中通入氦气以保证籽晶不被完全熔化;熔料过程中,将生长界面探测装置(5)下摇,待与固液界面接触时,钨棒上端的金属扣头上浮,记录此时的界面高度与温度,通过多次测量,掌握原料熔化情况;
S3过热:待原料全部熔化后,继续升高温度,使熔体处于过热状态,过热温度设置为40~50℃;
S4结晶:通过温度控制模式,使熔体温度缓慢降低,逐渐结晶,该阶段热交换气流量升高斜率设置为0.1~0.5SCFH;此阶段将生长界面探测装置(5)下摇,待与固液界面接触时,钨棒上端的金属扣头上浮,记录界面高度与温度,通过多次测量,掌握晶体生长情况;
S5原位退火:当晶体温度降温至1900~2000℃时恒温,进行原位退火,退火时间设置为5~20h;
S6冷却:通过功率控制模式,使结晶的晶体逐步冷却至室温,功率降低斜率设置为-50W/h~-500W/h,最终完成晶体生长。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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