DD290921A5 - Verfahren zur zuechtung homogener lasergranatkristalle nach der czochralskimethode - Google Patents

Abstract

Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Homogenitaet der Granatkristalle sowie der Gutausbeute und Gebrauchswerteigenschaften der daraus hergestellten Bauelemente. Die Loesung der Aufgabe, bei der Zuechtung einen ueber die gesamte Phasengrenzflaeche Schmelze/Kristall einheitlichen Wachstumsmechanismus zu realisieren, gelingt erfindungsgemaesz dadurch, dasz zu Zuechtungsbeginn ein Phasengrenzflaechenneigungswinkel von (445) oder (010) eingestellt wird und dieser ab Erreichen des Zieldurchmessers des Kristalls durch Variation der Rotationsgeschwindigkeit ueber den weiteren Zuechtungsablauf konstantgehalten wird. Erfindungsgemaesz gezuechtete Lasergranatkristalle dienen als Ausgangsmaterial zur Herstellung optischer Bauelemente der Lasertechnik, insbesondere solcher mit erhoehten Anforderungen an die Volumenhomogenitaet des Kristallmaterials.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Züchtung homogener Lasergranatkristalle nach der Czochralskimethode, bei dem an einem rotierenden, kristallographisch orientierten Keimkristall ein zylindersymmetrischer Kristallstab aus einer '·"' Schmelze gehoben wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gezüchtete Lasergranatkristalle sind besonders als Ausgangsmaterial für die Herstellung von optischen Bauelementen der Lasertechnik geeignet. Im Vordergrund stehen dabeixiptische Bauelemente mit erhöhten Anforderungen an die Volumenhomogenität des Kristallmaterials, z. B. für cw-Anwendungen.

Die Lasergüteparameter (Energieoutput, Wirkungsgrad, Strahldivergenz u.a.) werden dabei in entscheidendem Maße von der optischen Qualität der Kristalle bestimmt. Aus diesem Grunde muß bei der Kristallzüchtung das besondere Augenmerk darauf gerichtet werden, ausgedehnte homogene Kristallbereiche zu erzeugen, aus denen Bauelemente mit geringer Brechzahlfluktuation und geringer radialer Konzentrationsvariation der Aktivaterionen gewonnen werden können.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Unter den optischen Komponenten ider modernen Lasertechnik kommen in zunehmendem Maße Bauelemente mit aktiven Lasereigenschaften auf der Basis von einkristallinem Granat zum Einsatz. Nd:YAG-(neodymdotierte Yttriumaluminiumgranat-) Laserresonatoreii mit ihrer breiten Anwendungspalette haben bereits Eingang in eine Vielzahl kommerzieller Geräte gefunden.

Chromsensibilisierte Nd:YAGs mit schnellem Energietransfer und chromdotierte Mischgranate, z. B. GdScGa-Granat (Gadolinium-Scandium-Gallium-Granat) mit einem Wirkungsgrad größer 20% befinden sich in der Phase industrieller

Erprobung. ί

Das gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung optisch hochwertiger Laserkristalle ist das Czochralski-Verfahren, bei dem an

einem Ausgangskeimkristall geringen Durchmessers unter Rotation ein zylindersymmetrischer Kristallkörper in vertikaler Richtung aus der induktiv-oder widerstandsgeheizten Schmelze gehoben wird.

Die Einstellung substanzspezifischer Verfahrensparameter erfolgt hierbei über eine geeignete Vorgabe der Hub- und Rotationsgeschwindigkeit des Kristalls, der thermischen Gradienten der Zuchtanordnung und der Zusammensetzung der Zuchtgasatmosphäre.

Im Übergangsgebiet Kristall-Schmelze nimmt dabei die Phasengrenzfläche in Abhängigkeit von den jeweilig vorherrschenden thermischen und hydrodynamischen Bedingungen eine in bezug auf die Schmelze konkave, ebene oder konvexe Durchbiegung

Die allgemeinen Grundlagen der Czochralskizüchtung hochschmelzender Oxidkristalle sind bekannt (z. B. J. C. BRICE «The Growth of Crystals from the Melt", North-Holland Publishing Company-Amsterdam 1977).

Das charakteristische Merkmal der Czochralskizüchtung von Granatkristallen für Laseranwendungen ist die Züchtung mit einem konvexen, kegelförmigen Phasengrenzflächenprofil (z.B. B.COKAYNE, J.Cryst.Growth 42 (1977], 419). Insbesondere soll die konvexe Phasengrenzfläche eine möglichst steile Neigung in bezug auf die Schmelzoberfläche aufweisen (R.UHRIN and F. BELT, „Manufacturing Methods and Technology Enginering for Growth of Large Diameter Nd:YAG Laser Crystals" Final Technical Report 1983, Contract Nr. DAAB 0777-C-0375), so daß der dem Fachmann bekannte optisch inhomogenere und verspannte Kernbereich der Kristalle ({211}-Facettenbildungseffekt) eine möglichst geringe radiale Ausdehnung erfährt. Homogene Laserstä'be können dann aus dem äußeren Bereich der Kristalle zwischen weiteren radial verlaufenden Spannungsbereichen herausgetrennt werden. Demgegenüber wird der Einstellung konvexer Phasengrenzflächenprofile geringerer Steilheit eine steigende Tendenz des Kristallmaterials zu unerwünschter Einschlußbildung und Vergrößerung des zentralen Facettenbereiches zugeschrieben (eben da), und z.B. fündie Czochralskizüchtung von Nd:YAG-Kristallen verworfen.

In Anbetracht der steigenden Anforderungen an die Gebrauchseigenschaften aktiver optischer Bauelemente der Lasertechnik und der verschärften Materialökonomie für die verwendeten Ausgangsmaterialien stehen der Anwendung des genannten Verfahrens (möglichst steile Einstellung des Phasengrenzflächenprofils) jedoch einige Nachteile gegenüber, die die Realisierung einer besseren technischen Lösung erlforderlich machen:

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-2- 290 92

Da die Czochralskizüchtung von Lasergranatkristallen mit einer rotationssymmetrischen und kegelförmigen (konvexen) Schmelzisotherme erfolgt, besteht dadurch immer die Möglichkeit, daß auf benachbarten Gebieten der gekrümmten Phasengrenzfläche gleichzeitig atomar rauhes neben atomar glattem Wachstum auftritt Das ist insbesondere der Fall, wenn ein oder mehrere der durch ihre Normalen an die gekrümmte Schmelzisotherme gegebenen lokalen Wachstumsrichtungen der Phasengrenzfläche mit den Richtungen des singulären Granatwachstums {211) oder (110) bzw. den Richtungen, die in der vizinalen Umgebung dieser singulären Flächeprofile liegen, zusammenfallen. Dadurch kommt es in lokalen Bereichen der konvexen Phasengrenzfläche neben dem erwünschten Auftreten des atomar rauhen Wachstums zur Ausbildung singulärer atomar glatt wachsender {211}- oder {110}-Facetten der singulären (211) und (HO)-Flächenpole. Aus den verschiedenen Wachstumsmechanismen resultieren unterschiedliche Wachstumsgeschwindigkeiten und Interfaceverteilungskoeffizienten, was zu radialen und azimutalen Schwankungen der chemischen Zusammensetzung (Stöchiometrie) und des Dotierungsgehaltes auf der Phasengrenzfläche führt. Diese Schwankungen treten auch dann noch au! wenn die Lasergranatkristalle forderungsgemäß mit möglichst steiler Neigung des konvexen Phasengrenzflächenprofils zur Schmelzoberfläche gezüchtet werden. Derartige Inhomogenitäten bewirken erhebliche Schwankungen der passiven optischer und aktiven Lasereigenschaften über den Kristallquerschnitt und führen daher zu Gutausbeuteverlusten an für die Produktion hochwertiger Bauelemente verwertbarem Kristallmaterial. Außerdem verursachen sie Probleme bei der Auswahl und Bestimmung der optimalen Volumenbereiche für Laserbauelemente außerhalb der Kernfacetten des Ausgangskristalls. Trotz Einhaltung geringer Präparationstoleranzen sind Schwankungen der Eigenschaften innerhalb eines Bauelementes und zwische den Bauelementen eines Kristalls nicht vermeidbar.

Gegenwärtig versucht man diesen Mangel in der Reproduzierbarkeit der Laserqualität ökonomisch dadurch zu kompensieren, daß eine Selektion der aus dem Ausgangskristall präparierten Bauelemente nach erreichten Qualitätsparametern bzw. Einsatzzweck vorgenommen wird. (R.UHRIN, F. BELT „Manufacturing Methods and Technology...).

Ziel der Erfindung

-A.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Homogenität der gezüchteten Lasergranatkristalle und damit die Gutausbeute der daraus hergestellten Bauelemente bei gleichzeitiger Verbesserung ihrer Gebrauchswerteigenschaften zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein reproduzierbares Verfahren zur Züchtung homogener Laserkristalle der Granatstruktur mit verbesserten Gebrauchswerteigenschaften nach der Czochralskimethode zu schaffen, bei dem zur Homogenisierung der radialen und azimutalen Schwankungen der chemischen Zusammensetzung und des Dotierungsgehaltes über den Kristallquerschnitt das gleichzeitige Auftreten qualitativ verschiedener Wachstumsmechanismen an unterschiedlicher Orten der Phasengrenzfläche zwischen Schmelze und wachsendem Kristall vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Züchtung homogener Lasergranatkristalle nach der Czochralskimethode, bei dem aus einer in einem induktiv oder widerstandsbeheizten Tiegel befindlichen Schmelze in vertikaler Ziehrichtung an einem rotierenden,mit einer kristallographischen (111 )-Richtung parallel zur Ziehrichtung orientierten Keimkristall geringen Durchmessers ein zylindersymmetrischer Kristallstab mit einem größeren Zieldurchmesser gehoben wird, wobei zu Beginn de Züchtung durch Einstellung eines axialen und radialen Temperaturgradienten sowie einer Hub- und einer Rotationsgeschwindigkeit zwischen Schmelze und Kristall eine Phasengrenzflächenneigung zu der zur Ziehrichtung senkrecht verlaufenden kristallographischen {111 }-Ebene erzeugt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Phasengrenzflächenneigungswinkel von (44 ± 5)° oder (0 + 10)" eingestellt wird und dieser ab Erreichen des Zieldurchmessen des Kristallstabes vorzugsweise durch Variation der Rotationsgeschwindigkeit über den weiteren Züchtungsverlauf konstantgehalten wird.

Erfindungsgemäß wird bei der Züchtung von Laserkristallen mit Granatstruktur für das gesamte Gebiet der Phasengrenzfläche fest/flüssig desSystems Kristall/Schmelze und fürdiegesamte Züchtungsdauer ab Erreichen des Zieldurchmessers des Kristall ein einheitlicher Wachstumsmechanismus realisiert, indem die Phasengrenzfläche dahingehend beeinflußt wird, daß sie über den gesamten Zuchtverlauf eine bestimmte konstante Form und definierte Lage einnimmt. Dabei kann die Einstellung der definierten Lage der Phasengrenzfläche bzw. des Phasengrenzflächenprofils in an sich bekannter Weise, z.B. durch geeignete Einstellung der Kristallrotationsgeschwindigkeit, der Ziehgeschwindigkeit und des Verhältnisses von axialem zu radialem Temperaturgradienten erfolgen.

Überraschenderweise und im Gegensatz zu der in der Literatur (HERGT, R., GÖRNERT, P., phys.stat.sol. [a] 57 [1980] 553) vertretenen Auffassung, daß das Granatwachstum auf {321}-Flächen oberhalb 1150K thermisch aufrauht, und somit atomar rauhes Wachstum vorherrscht, wurden unter den Bedingungen des Czochralskiwachstums bei 2243 K singuläre, d. h. atomar glatt wachsende {321 }-Facetten an Lasergranatkristallen festgestellt. Dieser überraschende Befund bedeutet eine erhebliche Einschränkung in der Auswahl der geeigneten Phasengrenzflächenprofile. Durch eine Analyse des Winkels der Wachstumsrichtung der atomar glatt wachsenden Flächen {211}, {110} u. {321} zur (m)-Ziehrichtung des Kristalls konnten zwei der Aufgabe gerecht werdende Neigungswinkel der Phasengrenzfläche zu der senkrecht zur (111 )-Ziehrichtung verlaufenden {111}-Ebene ermittelt werden:

1. (44 ±5)°.

2. (0±10)°

In diesen beiden Positionen ist der Winkelabstand der Phasengrenzfläche zu den atomar glatt wachsenden Facetten und ihrer vizinalen Umgebung so groß, daß im Bereich des für Laserbauelemente nutzbaren Volumens der Kristalle ausschließlich atomai rauhe Wachstumsbedingungen realisiert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet weiterhin, daß der eingestellte Phasengrenzflächenneigungswinkel nach Erreichen des Zieldurchmessers des Kristalls über die gesamte Zuchtdauer konstant gehalten wird, insbesondere durch eine kontinuierliche Variation der Kristallrotationsgeschwindigkeit.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Laserkristalle mit Granatstruktur zeichnen sich gegenüber solchen nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellten durch eine wesentlich größere Homogenität in der chemischen Zusammensetzung und der Dotierungskonzentration aus

Bevorzugt läßt sich dieses Verfahren zur Herstellung von Nd-dotierten YAG-Kristallen anwenden.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels zur Czochralskizüchtung eines Nd: YAG-Laserkristalles näher erläutert werden.

Die Züchtung erfolgt aus einem induktiv beheizten Ir-Tiegel mit einem Nutzvolumen von 50 χ 50mm, dereine im stöchiometrischen Verhältnis eingewogene Ausgangssubstanz der Verbindung YsAt₆O₁₂ mit einer Nd-Dotierung von 5% Atome Nd/Nd + Yenthält. Tiegel und Nachheizer werden mit einer geeigneten thermischen Isolierung umgeben undin eine geeignete Position zum Induktor gebracht, so daß das sich daraus ergebende Verhältnis von axialem zu radialem Temperaturgradienten zur Einstellung der gewünschten Neigung der Schmelzisotherme bzw. späteren Phasengrenzfläche von 44° führt

Nach dem Eintauchen des {111 )-orientierten Keimkristalls mit einem Durchmesser von 5mm in die Schmelze wird der wachsende Kristall bei einem Kristallhub von 0,5mm/h und einer Rotation des Keimkristalls von 20 U/min auf einen Zieldurchmesser von 22 mm verbreitert. Bei Erreichen des Zieldurchmessers stellt sich der gewünschte Neigungswinkel von 44° der rotationssymmetrischen, kegelförmigen Phasengrenzfläche zur Schmelzoberfläche ein. Die genaue Einstellung dieses Winkels wird in der Weise vorgenommen, daß zwischen einzelnen (<5)Testzüchtungen die keramische Isolierung der Zuchtanordnung und die Position von Tiegel und Nachheizer zum Induktor verändert werden und der erreichte Phasengrenzflächenneigungswinkel nach jeder Testzüchtung anhand einer Untersuchung des Kristallängsschnittes im polarisierten Licht beurteilt wird. Dabeiimüssen die parallel zur {111 )-Ziehrichtung geschnittenen, ca. 1 mm dicken Scheiben die Rotationsachse des Kristalls enthalten.

Die erforderliche Aufrechterhaltung einer konstanten Phasengrenzflächenneigung zur Schmelzoberfläcrte von 44' ab Erreichen des Zieldurchmessers wird durch eine kontinuierliche Variation der Kristallrotation gewährleistet, um der sonst üblicherweise eintretenden Änderung der Phasengrenzflächenneigung während des Zuchtverlaufes entgegenzuwirken. Beispielsweise kann eine Konstanthaltung des Neigungswinkels der Phasengrenzfläche durch kontinuierliche Verringerung der Kristallrotationsgeschwindigkeit von 20 U/min ab Erreichen des Zieldurchmessers bis auf 6U/min am Zuchtende erzielt werden. Je nach den realisierten statischen thermischen Bedingungen kann während des Zuchtablaufes in der Phase des Parallelwachstums auch eine kontinuierliche Abnahme der Rotationsrate bis zur Hälfte der Züchtungszeit und ein anschließendes Ansteigen der Rotationsgeschwindigkeit bis zum Zuchtende auf den Ausgangswert (z. B. 20 U/min auf 10 U/min und 10 U/min auf 20 U/min) erforderlich werden.

Die aus einem derart gezüchteten Kristall präparierten Laserbauelemente weisen eine wesentlich größere optische Homogenität und Reproduzierbarkeit der passiven optischen und aktiven Lasereigenschaften auf.

Claims (1)

1. -1- 290 92 Patentanspruch:

   Verfahren zur Züchtung homogener Lasergranatkristalle nach der Czochralskimethode, bei dem aus' einer in einem induktiv oder widerstandsbeheizten Tiegel befindlichen Schmelze in vertikaler Ziehrichtung an einem rotierenden, mit einer kristallographischen (m)-Richtung parallel zur Ziehrichtung orientierten Keimkristall geringen Durchmessers ein zylindersymmetrischer Kristallstabje] mit einem größeren Zieldurchmesser gehoben wird, wobei zu Beginn der Züchtung durch Einstellung j eines axialen und radialen Temperaturgradienten sowie einer Hub- und einer Rotationsgeschwindigkeit zwischen Schmelze und Kristall eine Phasengrenzflächenneigung zu der zur! Ziehrichtung senkrecht verlaufenden kristallographischen {111 }-Ebene erzeugt wird, gekennzeichnet J| dadurch, daß ein Phasengrenzflächenneigungswinkel von (44 ± 5)° oder (0 ±10)° eingestellt wird und ff dieser ab Erreichen des Zieldurchmessers des Kristallstabes vorzugsweise durch Variation der Rotationsgeschwindigkeit über den weiteren Züchtungsablauf konstantgehalten wird.