CN1425806A - 掺钕钒酸钇和钒酸钇复合激光晶体的生长方法 - Google Patents

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Abstract

一种掺钕钒酸钇和钒酸钇复合激光晶体的生长方法，采用水热法生长炉在掺钕钒酸钇单晶两端生长不掺杂的钒酸钇单晶而成，晶体完整性好，将其切割、加工后制成激光器，该激光器在小型化、高效率、低阈值固体激光领域有广阔的应用前景。

Description

掺钕钒酸钇和钒酸钇复合激光晶体的生长方法
技术领域：
本发明涉及激光晶体，特别是一种掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)和钒酸钇(YVO4)复合激光晶体的生长方法，具体涉及在掺钕钒酸钇单晶两端生长不掺杂的钒酸钇，组合成掺钕钒酸钇和钒酸钇的复合激光晶体材料：YVO4/Nd:YVO4/YVO4。
背景技术：
掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)晶体具有锆石型结构。作为基质材料，该晶体以其泵浦阈值低、激光发射截面大、可实现1.34μm和1.06μm激光连续运转等优点，早在本世纪六、七十年代就引起了学术界的关注并给予高度评价，90年代初，由于激光二极管(LD)研究取得长足进展，LD有可能作为微型全固态激光器的泵浦源付诸应用，学术界和企业界对具有低泵浦阈值和优良激光特性的Nd:YVO4晶体重新给予了极大的关注。1993年之后的几年内，Nd:YVO4晶体的生长取得了突破性进展。目前，Nd:YVO4晶体和器件均已商品化。
1998年R。Weber等人提出在Nd:YAG激光棒两端光胶纯YAG晶体棒的复合结构，由于纯YAG晶体不对泵浦光或震荡光吸收，可以有效冷却介质，减少热效应和热透镜效应，另外在纯YAG棒两端镀膜，对提高膜层的激光损伤阈值有明显效果，从而大大提高了激光性能，降低了激光阈值(参见IEEE Journal of Quantum Electronics，第6期，第34卷，1998年第1064页)。2002年D。Ehrentraut等人报道了用改进的提拉法在纯YAG管内部生长Yb掺杂的YAG(参见Journal of CrystalGrowth第242期，2002年第375页)。1962年G.E.Devlin等人报道了用火焰法在Cr:Al2O3周围生长Al2O3(参见Appl.Opt.第1期，1962年第11页)。1998年V.N.Kurlov等人用导膜法在Ti:Al2O3周围生长Al2O3(参见Journal of Crystal Growth第191期，1998年第520页)。
在先技术的复合激光材料，有明显的缺点：(1)通过光学耦合剂或者直接叠合(光胶)而成：由于光学耦合剂与单晶体的失配，且纯晶体与掺杂晶体间存在明显的分界，使得光损耗大；(2)提拉法、火焰法和导膜法直接生长的复合单晶，晶体质量差存在大量的气泡和包裹物等缺陷，重复性低，至今未在器件中实际应用。
发明内容：
本发明的目的是直接在掺钕钒酸钇单晶的两端生长不掺杂的钒酸钇晶体形成掺钕钒酸钇和钒酸钇的复合激光材料：YVO4/Nd:YVO4/YVO4，以克服在先技术的复合激光材料制备方法所带来的光损耗大、质量差、重复率低等缺点。
本发明的技术解决方案如下：
一种掺钕钒酸钇和钒酸钇复合激光晶体的生长方法，是采用水热法在掺钕钒酸钇单晶的两端生长不掺杂的钒酸钇，组合成掺钕钒酸和钒酸YVO4/Nd:YVO4/YVO4)复合激光晶体，其具体步骤如下：
①.根据晶体生长的需要，将一定数量和粒径的YVO4放入高压釜中黄金衬套底部的溶解区；
②.按55％～85％的填充度向高压釜内填充碱金属矿化剂和H2O的混合溶液；
③.用黄金丝制做梯形籽晶架，按一定方向切割Nd:YVO4籽晶片，抛光加工后，用黄金丝将籽晶片固定在籽晶架上；
④.将籽晶架缓缓放入黄金衬管内，密封好后再一起放入高压釜内，再将高压釜缓缓放入电阻炉中；
⑤.电阻炉升温，调整温度，使溶解区温度为350℃，生长区温度为410℃，温差60℃，工作压力1500atm，使高压釜反应腔内外温度达到平衡；
⑥.恒温生长，生长周期由YVO4/Nd:YVO4/YVO4所需YVO4晶体厚度而定；
⑦.停炉，打开保温罩，将高压釜从电阻炉中提出，取出籽晶架，取出晶体，用温水将籽晶表面溶液洗净，即可获得所需掺钕钒酸钇和钒酸钇复合激光晶体。
所述Nd:YVO4籽晶片的晶面方向为(100)或(101)。
所述的矿化剂混合溶液的具体配比如下：
      成份                           浓度(mol/l)
      K2CO3                        1
      NaOH                           1.5
      NaCO3                         0.5
      H2O                           添加量
本发明与在先技术相比，一方面，与在先技术光学耦合剂或直接叠合(光胶)相比，Nd:YVO4与YVO4直接生长在一起，不存在晶格失配，没有明显界面，光损耗很小。另一方面，与在先提拉法、火焰法和导模法生长的复合单晶相比，水热法生长的YVO4/Nd:YVO4/YVO4，两种晶体间无明显分界，晶体完整性好，重复性好。本发明适宜批量生产，满足中小功率水平的激光器件制造上的市场需求。
附图说明：
图1是本发明制备复合激光晶体材料所用的生长装置剖面示意图。
具体实施方式：
本发明所用的复合激光材料的生长装置见图1，是一台外带保温罩的高温高压釜和与之配套的温差井式电阻炉10组成。它的结构主要包括：生长区1，溶解区2，钢帽3，钢釜4。为了延长高压釜的寿命，防止酸性或碱性溶液在高温高压下对釜内腔壁的腐蚀，使用黄金衬套5作为防护衬套与高压釜内壁分开。使用黄金丝做成的梯形籽晶架6，按一定方向切好的籽晶片用黄金丝连接起来并固定在籽晶架6上，每次一个梯形架可以挂数十片(视籽晶大小而定)。黄金衬套5内腔有H2O+矿化剂7，YVO4培养料8位于溶解区2内，培养料8上部有带孔的挡板9。
本发明制备复合激光晶体的步骤如下：
(1).首先把一定数量和粒径的YVO4晶体作培养料8放入黄金衬套5底部的溶解区2内；
(2).按55％～85％的填充度(填充度指室温下装入高压釜内溶液所占高压釜自由体积的百分数)加入碱金属的矿化剂7和H2O的混合溶液；
(3).使用黄金丝做成的梯形籽晶架6，按一定方向切好的籽晶片用黄金丝连接起来并固定在架6上；
(4).将籽晶架6缓缓放入黄金衬套5内并密封好再一起放入高压釜中，再把高压釜封彻底并缓缓放入电阻炉10中；
(5).电阻炉10升温，调整温度和压力，控制所需要温度和温差，达到设计的高压釜反应腔内外温度达到平衡；
(6).处于恒温下生长，生长周期根据YVO4/Nd:YVO4/YVO4复合材料中的YVO4厚度尺寸要求而定；
(7).停炉，打开保温罩，高压釜提出炉膛，取出籽晶架，取出晶体，用温水将籽晶表面的溶液洗净。
用上述水热法生长方法以及具体的生长工艺步骤制备YVO4/Nd:YVO4/YVO4。所选用的水热法生长炉如图1所示的装置，生长区1，溶解区2，钢帽3，钢釜4，腔体尺寸Φ38mm×700mm，黄金衬套5，衬套内腔尺寸Φ30mm×690mm，管壁厚度0.8mm，黄金籽晶架6和YVO4培养料8。
其具体生长实例如下：
(1)将1000克粒径为4～8mmYVO4晶体培养8放入黄金衬套5底部的溶解区2内。
(2)对于上一步骤的每一种方案，再按表2配制矿化剂和水的混合溶液，并分别按55％、70％、85％的填充度向高压釜内加入矿化剂7和水的混合溶液。
表2 配制矿化剂和水的混合溶液
    成分     浓度(mol/L)
    K2CO3     1
    NaOH     1.5
    NaCO3     0.5
    H2O     添加量
(3)使用黄金丝做成的梯形籽晶架6，按(001)或(101)方向切好的Φ30×30×15mm的Nd:YVO4(掺Nd浓度1atm％，YVO4)籽晶片两端光学级抛光，在边缘打小孔，用黄金丝连接小孔，并固定在架子上。
(4)将籽晶架缓缓放入黄金衬套5内，并密封好再一起放入高压釜内，并缓缓放入电阻炉10中。
(5)电阻炉10升温，调整温度：溶解区温度为410℃，生长区温度为350℃，温差60℃；工作压力1500atm；升温速度20℃/h内，高压釜内外温度达到平衡，在此温度下恒温生长20天。
(6)降温、停炉，打开保温罩，高压釜提出炉膛，取出晶体10块，每块晶体呈厚板状，Nd:YVO4两端面YVO4厚度均达8mm。用温水晶体表面溶液，晶体晶莹透明，完整性好。
将所生长的YVO4/Nd:YVO4/YVO4复合激光晶体材料切割、加工后制成激光器，该激光器在小型化、高效率和低阈值固体激光领域有着广阔的应用前景。

Claims (3)

1、一种掺钕钒酸钇和钒酸钇复合激光晶体的生长方法，采用水热生长炉进行生长，其特征在于包括下列步骤：
①.根据晶体生长的需要，将一定数量和粒径的YVO4放入高压釜中黄金衬套底部的溶解区；
②.按55％～85％的填充度向高压釜内填充碱金属矿化剂和H2O的混合溶液；
③.用黄金丝制做梯形籽晶架，按一定方向切割Nd:YVO4籽晶片，抛光加工后，用黄金丝将籽晶片固定在籽晶架上；
④.将籽晶架缓缓放入黄金衬管内，密封好后再一起放入高压釜内，再将高压釜缓缓放入电阻炉中；
⑤.电阻炉升温，调整温度，使溶解区温度为350℃，生长区温度为410℃，温差60℃，工作压力1500atm，使高压釜反应腔内外温度达到平衡；
⑥.恒温生长，生长同期由YVO4/Nd:YVO4/YVO4所需YVO4晶体厚度而定；
⑦.停炉，打开保温罩，将高压釜从电阻炉中提出，取出籽晶架，取出晶体，用温水将籽晶表面溶液洗净，即可获得所需掺钕钒酸钇和钒酸钇复合激光晶体。
2、根据权利要求1所述的掺钕钒酸钇和钒酸钇复合激光晶体的生长方法，其特征在于所述Nd:YVO4籽晶片的晶面方向为(100)或(101)。
3、根据权利要求1或2所述的掺钕钒酸钇和钒酸钇复合激光晶体的生长方法，其特征在于所述的矿化剂混合溶液的具体配比如下：
      成份                          浓度(mol/l)
      K2CO3                       1
      NaOH                          1.5
      NaCO3                        0.5
      H2O                          添加量
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