CN110670119A - 一种Nd:YLF晶体的生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Nd:YLF晶体的生长方法，步骤包括：将氟化钇、氟化锂、氟化钕混合研磨；安装坩埚装料；对流均化、下摇籽晶、提拉、下种提拉；放肩；收尾。本发明的有益效果在于，氟化钇锂原料可重复使用，节约生产成本40％以上。生长出大直径，长等径、高质量的Nd:YLF晶体材料，比原有晶体产量提高100％以上。

Description

一种Nd:YLF晶体的生长方法
技术领域
本发明涉及一种生长方法，尤其是Nd:YLF晶体的生长方法。
背景技术
Nd:YLF晶体在当前的激光点火装置上起着重要的作用，扮演着一个极为关键的角色，是建立激光惯性约束核聚变点火装置所需的关键核心元器件之一。我国也积极开展了激光惯性约束核聚变的研究工作，而国外在长期对我国实施高端Nd:YLF晶体“禁售”政策，这给我国重大项目的进展速度造成了不小的影响。因此，立项对Nd:YLF晶体生长技术进行进一步的研究，成熟工艺、稳定生产，生产出定型的高质量Nd:YLF晶体对我国重大科研工程的顺利实施有着重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种Nd:YLF晶体的生长方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的。
一种Nd:YLF晶体的生长方法，步骤包括：
步骤一：将氟化钇、氟化锂、氟化钕装进塑料瓶中并固定到混料机上，进行充分混合，混合时间为24h，24h后取出，置入玛瑙研钵中进行研磨，而后再进行混料12h；
步骤二：检查籽晶杆真空密封橡皮圈，清理籽晶杆，安装坩埚，检测检查热偶，避免其与炉体短路，避免与坩埚接触，将步骤一的混合料进行装料；
步骤三：装料完毕后，将炉体抽至高真空，充入高纯氩气，再次抽真空后第二次充入氩气和四氟化碳作为保护气体，炉内气压控制在0.02MPa左右，开启中频电源待原料完全熔化后，首先在较高温度下保持30分钟以使熔体充分对流均化，然后适当降低温度，同时逐步下摇籽晶，当籽晶下降至液面之上约1cm时，保温30分钟使其充分预热，开始提拉，并适当调节使熔体温度略高于熔点，下种将籽晶慢慢下降插入熔体，下种后应平衡15-30分钟，使籽晶由微熔转入生长，并开始提拉；
步骤四：放肩阶段；
步骤五：至放肩后期晶体长到所需直径时，进入等径生长阶段，进行升、降温以控制晶体直径在一定范围内缓慢变化；
步骤六：缩颈收尾，使得晶体慢慢变细。
进一步地，步骤一：混料12h后观察是否有球状的颗粒，如果有球状的颗粒还要进行研磨和混料，若有颗粒则重复研磨以及混料12h。
进一步地，步骤一：将混合均匀的混合料放入塑料模具中，密封后在150MPa的条件下进行冷等静压。
进一步地，步骤二：安装坩埚时，坩埚上沿应略高于感应线圈的最上层并保证坩埚上沿平面水平。
进一步地，步骤二：安装坩埚时，坩埚的对称轴、保温筒中心、籽晶中心、感应线圈中心应保持一致。
进一步地，步骤三：拉速0.6-0.8mm/时，转速15转/分左右。
进一步地，步骤四：放肩的放肩角控制在60度。
进一步地，步骤六：收尾时，当晶体缩到大约5mm左右再逐步降温在提拉中使坩埚中底料部分结晶。
本发明的有益效果：
氟化钇锂原料可重复使用，节约生产成本40％以上。生长出大直径，长等径、高质量的Nd:YLF晶体材料，比原有晶体产量提高100％以上。
具体实施方式
下面根据实施例对本发明作进一步详细说明。
生长工艺：
原料：氟化钇、氟化锂、氟化钕。
①原料的制备
b、原料称量
用分析天平准确称量装进塑料瓶中，固定到混料机上，进行充分混合，混合时间为24h，以保证各种成份混合均匀。24h后取出，置入玛瑙研钵中进行研磨，而后再进行混料12h，然后进行观察是否有球状的颗粒，如果有球状的颗粒还要进行研磨和混料。一般经过2次研磨36h的混料，基本上可以得到白色均匀粉体。将混合均匀的粉体放入塑料模具中，密封后在150MPa的条件下进行冷等静压。
②晶体生长
a、装炉
清洁单晶，对籽晶杆真空密封橡皮圈进行认真检查，必要时必须更换新的橡皮圈。籽晶杆用酒精擦洗干净，不得有挥发物玷污。安装应注意：1)、坩埚上沿应略高于感应线圈的最上层并保证坩埚上沿平面水平；2)、坩埚的对称轴、保温筒中心、籽晶中心、感应线圈中心应保持一致。这样可以保证温场的对称性，使熔体的冷点在坩埚中心，有利于生长质量较好的晶体。检查热偶与炉体是否短路、与坩埚是否有接触。装料一避免污染，安装籽晶首先对使用的品种进行仔细地检查，籽晶内是否有裂痕，是否无杂质。在切割籽晶绑扎切口时，深度和宽度一定要适当，如有摆动会破坏同心度，当晶体长大时也会因此力矩，使晶体掉到坩埚中。外层铂佬丝要装紧。籽晶的内部结构直接影响到晶体的质量，如果籽晶内有位错、晶界、孪晶等，那么在所生长的晶体中也会有此类问题出现.所以选择一个好的籽晶是晶体生长成功的开始。
b、加热升温、下籽
装料完毕后，将炉体抽至高真空，充入99.999 070的高纯氩气，再次抽真空后第二次充入氩气和四氟化碳作为保护气体，炉内气压控制在0.02MPa左右。开启中频电源待原料完全熔化后，首先在较高温度下保持3 0分钟以使熔体充分对流均化，然后适当降低温度，同时逐步下摇籽晶。在籽晶的下降过程中，速度不宜太快以避免热冲击。当籽晶下降至液面之上约1cm时，保温30分钟使其充分预热(这一工艺过程也称为“烤晶”)。引晶时必须连续现察熔体表面液流线花纹和晶种状态。一般情况下可能出现如下状态，1)是液流线密而且流动快而乱同时颜色浅，表明熔体温度偏高，有时晶种前端变成球面或波滴，此种现象的出现应适当降低热功率。2)是观察液流线模糊、疏而流动慢，说明熔体表面温度低，此时应适当得升高热功率。当液流线清晰、细密、均匀对称分布、中心比较集中、无热流冲击、不横向摆动，若下降到熔体表面的籽晶既不熔掉也不长大，则表明熔体表面的温度在熔点附近，此时可以开始提拉，并适当调节使熔体温度略高于熔点，从而熔去少量籽晶以保证在清洁表面上开始生长，避免籽晶表面缺陷引入到新长成的晶体中。选择合适的下种温度是引晶重要条件。一般讲，主要根据液面上热流线粗细和流动快慢来定。液面很亮，热流线细而流动快，表明熔体温度高。液面昏暗不清，热流线粗而流动慢，便是温度低的表现。选好温度后，可将籽晶慢慢下降插入熔体。此时要特别注意籽晶周围液面变化情况，若液面变暗，籽晶扩粗说明下种温度偏低，应升温。若液面很亮，籽晶明显缩细，应降温，下种后应平衡15-30分钟，使籽晶由微熔转入生长，并开始提拉，此拉速与转速应与正常生长时相同，一般拉速
0.6-0.8mm/时。转速15转/分左右。
c、放肩
实践表明：在晶体生长过程的放肩阶段，在拉速不变的情况下，晶体的直径不是均匀地增加的，开始时较慢，随后就迅速增快。为了减轻放肩过程中的直径自发增长的倾向，可用减小放肩角来实现。这样就降低了肩部面积随晶体直径增长的速率，使收肩过程容易控制。放肩角不宜过大，一般的放肩角60度较合适。
d、等径
放肩后期，晶体长到所需直径时，就要缓慢收肩，不能陡变。晶体的等径部分是晶体选材的基础，晶体进入等径生长阶段后，采用特有的“固一液界面受控转换法¨生长无核心无侧心的平界面等径部分。等径生长程度反应了晶体生长条件的稳定性o如果温场比较均匀、对称，控制等径生长是比较容易的。但随着外界环境条件的波动，不可避免地会影响到晶体直径的变化，这时就需要根据实际情况(晶体生长的固液交界处的边界层的大小和温度变化情况)进行升、降温以控制晶体直径在一定范围内缓慢变化，以及调整控制晶体的生长的晶体转速，及晶体拉速从而生长出利用率高的晶体。
e、收尾
当晶体长到所需要的尺寸后，要缩颈收尾，即让晶体慢慢变细。在收尾的过程中，可缓慢提高晶升速度，慢慢降低转速。为了防止晶体直径过大造成晶体下部开裂问题，我们在收尾时没有将晶体拉脱熔体，而是当晶体缩到大约5mm左右再慢慢降温在提拉中使坩埚中底料部分结晶，这样能有效防止晶体开裂。
实施案例一：原料：氟化钇、氟化锂、氟化钕。
根据生产工工艺操作，1，原料制备。2，装炉。3，加热升温、下籽。
观察熔体的冷点和籽晶不在同一点位，坩埚内熔体的冷点中心，稍微偏向观察口一侧，温场不对称。
解决方案：用氟化钇锂晶体加工成长32mm，宽32mm镜片，双面抛光，做成窗口片。在后热器外保温观察口处开槽，将窗口片插入，不让观察口形成温度对流，保证温场对称。
实施案例二：原料：氟化钇、氟化锂、氟化钕。
根据生产工工艺操作，1，原料制备。2，装炉。3，加热升温、下籽。4，放肩。
放肩过程中，很难扩出。纵向温度梯度过小。
解决方案：调换后热器上方白金盖，换成内直径125mm。加大纵向温度梯度。
实施案例三：原料：氟化钇、氟化锂、氟化钕。
根据生产工工艺操作，1，原料制备。2，装炉。3，加热升温、下籽。4，放肩。5，等径。6，收尾。
晶体外形达到要求，但晶体内部应力大，尾部有组分过冷。
解决方案：相对减小纵向温度梯度，去除晶体内部生长应力。调整坩埚位置，消除晶体尾部组分过冷。
实施案例四：原料：氟化钇、氟化锂、氟化钕。
根据生产工工艺操作，1，原料制备。2，装炉。3，加热升温、下籽。4，放肩。5，等径。6，收尾。
晶体毛坯检测合格，达到实施案例要求。
实施案例五：切割加工，抛光镀膜，做成器件，检测。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种Nd:YLF晶体的生长方法，其特征在于，步骤包括：
步骤一：将氟化钇、氟化锂、氟化钕装进塑料瓶中并固定到混料机上，进行充分混合，混合时间为24h，24h后取出，置入玛瑙研钵中进行研磨，而后再进行混料12h；
步骤二：检查籽晶杆真空密封橡皮圈，清理籽晶杆，安装坩埚，检测检查热偶，避免其与炉体短路，避免与坩埚接触，将步骤一的混合料进行装料；
步骤三：装料完毕后，将炉体抽至高真空，充入高纯氩气，再次抽真空后第二次充入氩气和四氟化碳作为保护气体，炉内气压控制在0.02MPa左右，开启中频电源待原料完全熔化后，首先在较高温度下保持3 0分钟以使熔体充分对流均化，然后适当降低温度，同时逐步下摇籽晶，当籽晶下降至液面之上约1cm时，保温3 0分钟使其充分预热，开始提拉，并适当调节使熔体温度略高于熔点，下种将籽晶慢慢下降插入熔体，下种后应平衡15-30分钟，使籽晶由微熔转入生长，并开始提拉；
步骤四：放肩阶段；
步骤五：至放肩后期晶体长到所需直径时，进入等径生长阶段，进行升、降温以控制晶体直径在一定范围内缓慢变化；
步骤六：缩颈收尾，使得晶体慢慢变细。
2.根据权利要求1所述的Nd:YLF晶体的生长方法，其特征在于，步骤一：混料12h后观察是否有球状的颗粒，如果有球状的颗粒还要进行研磨和混料，若有颗粒则重复研磨以及混料12h。
3.根据权利要求1所述的Nd:YLF晶体的生长方法，其特征在于，步骤一：将混合均匀的混合料放入塑料模具中，密封后在150MPa的条件下进行冷等静压。
4.根据权利要求1所述的Nd:YLF晶体的生长方法，其特征在于，步骤二：安装坩埚时，坩埚上沿应略高于感应线圈的最上层并保证坩埚上沿平面水平。
5.根据权利要求1所述的Nd:YLF晶体的生长方法，其特征在于，步骤二：安装坩埚时，坩埚的对称轴、保温筒中心、籽晶中心、感应线圈中心应保持一致。
6.根据权利要求1所述的Nd:YLF晶体的生长方法，其特征在于，步骤三：拉速0.6-0.8mm/时，转速1 5转/分左右。
7.根据权利要求1所述的Nd:YLF晶体的生长方法，其特征在于，步骤四：放肩的放肩角控制在60度。
8.根据权利要求1所述的Nd:YLF晶体的生长方法，其特征在于，步骤六：收尾时，当晶体缩到大约5mm左右再逐步降温在提拉中使坩埚中底料部分结晶。
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