DE29500745U1

DE29500745U1 - Multiformkristall und Gerät zu dessen Herstellung

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Publication number: DE29500745U1
Application number: DE29500745U
Authority: DE
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1994-01-27
Filing date: 1995-01-18
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2005-01-19
Also published as: JP3145885B2; US5394420A; US5548606A; JPH07288352A; DE19501388A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Kristallsegmente zum Formen eines für Laseranwendungen geeigneten Multiformkristalls.

Große Einkristalle haben verglichen mit kleinen Kristallen bei verschiedenen Anwendungen wie beispielsweise Festkörperlaser- und Halbleiteranwendungen Vorteile. Große Laserkristalle sind zum Beispiel zum Erzeugen von Laserstrahlen hoher Intensität in Festkörperlaseranwendungen nützlich, da diese Kristalle einen verlängerten Resonanzweg für das sich durch den Kristall ausbreitende Licht bereitstellen. In Halbleiteranwendungen werden große Siliziumkristalle in Einkristall-Siliziumwafer unterteilt, die zur effizienten Verarbeitung großer Anzahlen integrierter Schaltkreise nützlich sind.

Aktuelle Kristallwachsverfahren wie beispielweise das Czochralski-Verfahren können Einkristalle mit begrenzter Größe wachsen. Es ist außerdem schwierig, große Kristalle zu wachsen, deren Qualitätsniveau hoch genug ist, so daß der Kristall für Anwendungen nützlich ist, die Kristalle hoher Reinheit erfordern, wie beispielsweise Festkörperlaser. Wenn sich die Querschnittsfläche des Kristalls erhöht, ergibt sich über den Querschnitt eine stärkere Tendenz zur Bildung von Störstellen. Es besteht somit der Bedarf für ein effizientes Verfahren zur Bildung großer Einkristalle mit wenigen kristallinen Störstellen.

Beim Kristallwachsverfahren bilden sich im Kristall außerdem Verunreinigungen wie beispielsweise Halogenide und metallische Verbindungen. Die Halogenidverunreinigungen enthalten typischerweise Chlor und Fluor und die metallischen Verunreinigungen enthalten typischerweise Iridium. Diese Verunrei-

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nigungen beeinflussen zusammen mit den Gitterfehlern im Kri-, stall die Lichtverstärkungseigenschaften des Kristalls nachteilig. Es besteht somit auch ein Bedarf für einen Prozeß zum Entfernen von Verunreinigungen und kristallinen Störstellen aus Kristallen, einschließlich Einkristallen.

Statt große Einkristalle zu wachsen, können große Kristalle durch Bonden oder Verbinden kleinerer Kristallsegmente miteinander gebildet werden. Zum Verbinden kleiner Einkri-Stallsegmente, um Multisegmentkristalle zu bilden, wurden verschiedene Verfahren entwickelt. Für Turbinen nützliche metallische Einkristalle können, wie im Giamei et al. erteilten U.S. Patent No. 4,033,792 und im Rhemer et al. erteilten U.S. Patent No. 4,475,980 beschrieben, durch Diffusions-Bondverfahren gebondet werden. Kristalle können auch mit einem Bondmittel wie beispielsweise Epoxy oder Glasfritte in der Verbindung zwischen den Kristallsegmenten gebondet werden, um die Einkristallsegmente aneinander zu befestigen.

Diese Techniken zur Verbindung von Kristallen besitzen jedoch begrenzten Nutzen beim Formen großer Kristalle für Anwendungen, die Kristalle hoher Qualität und hoher Reinheit erfordern, wo die Verbindung zwischen den Kristallsegmenten im wesentlichen optisch transparent oder frei von Störstellen sein muß. In Festkörperlaser- und optoelektronischen Anwendungen bewirken Störstellen in der Verbindung zwischen den Kristallsegmenten eine Abschwächung und Brechung des durch den Kristall laufenden Lichts. Traditionelle Bondverfahren bieten keinen hohen Grad an optischer Transparenz in der Schnittfläehe zwischen den Einkristallsegmenten. Wo zum Beispiel Bondmittel zum Verbinden der Kristallsegmente verwendet werden, besitzt die resultierende inhomogene Bindung zwischen den Kristal lsegmenten einen Brechungsindex, der nicht zu dem der sich anschließenden Kristallsegmente paßt. Die Variation des Brechungsindex durch die Verbindung bewirkt eine Brechung des sich durch den Laserkristall ausbreitenden Lichts. Diffusions-Bondverfahren zum Verbinden metallischer Einkristalle sind so

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gestaltet, daß sie eine Bindung mit hoher Stärke liefern und s sie können keine optisch transparente Bindung liefern.

Es besteht somit ein Bedarf für ein Verfahren zum Verbinden von Einkristallsegmenten, um große Multiformkristalle mit einer im wesentlichen optisch transparenten Bindung zu formen. Es ist auch wünschenswert, daß die Bindung zwischen den Kristal lsegmenten im wesentlichen frei von Gitterfehlern und Störstellen ist, so daß das durch den Kristall laufende Licht nicht gebrochen oder reflektiert wird. Es besteht auch ein Bedarf für einen Prozeß zum Entfernen von Verunreinigungen und Gitterfehlern aus Einkristallen.

Die vorliegende Erfindung stellt Multiformkristalle bereit, welche diese Anforderungen erfüllen. Der Multiformkristall ist für Laseranwendungen geeignet und umfaßt wenigstens zwei zusammengeschmolzene Einkristallsegmente mit einer Verbindung dazwischen, wobei die Verbindung für sich durch den Kristall ausbreitendes Licht im wesentlichen optisch transparent ist. Die Verbindung ist transparent genug, daß der Intensitätsverlust des sich durch die Verbindung ausbreitenden Lichts weniger als 25% beträgt, vorzugsweise weniger als 5% beträgt und am besten weniger als etwa 1% beträgt, wenn die

25 Verbindung transversal zum Lichtweg ist.

Die Multiformkristalle sind in einer Laservorrichtung besonders nützlich. Es ist für die Verwendung des Multiformkristalls in einem Laserkristall nicht nötig, daß beide Segmente des Multiformkristalls Laserkristalle sind. Der Multiformkristall kann ein oder mehrere Laser-Kristallsegmente und ein oder mehrere Nicht-Laser-Kristallsegmente umfassen.

Ein zum Verbinden von Einkristallsegmenten zur Bildung des Multiformkristalls geeigneter Prozeß umfaßt das Polieren zweier Einkristallsegmente, um auf jedem der Kristallsegmente wenigstens eine optisch ebene Fläche zu formen. Die optisch

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ebenen Flächen der Kristallsegmente werden gereinigt und miteinander in Kontakt gebracht, um eine Verbindung zwischen den Kristallsegmenten zu formen. Im wesentlichen der gesamte Sauerstoff in der Verbindung wird entfernt und die Verbindung wird auf einem Druck und einer Temperatur gehalten, die hoch genug sind, um die Kristallsegmente an der Verbindung miteinander zu verschmelzen, und die im wesentlichen optisch transparente Verbindung zu formen.

Der zum Verschmelzen der Kristallsegmente verwendete Temperaturzyklus kann auch zum Entfernen von Verunreinigungen und kristallinen Störstellen aus Laserkristallen verwendet werden. Wenn die Verunreinigungen und kristallinen Störstellen entfernt werden, weist der Kristall höhere Lichtverstärkungsei-

15 genschaften auf.

Diese und andere Eigenschaften, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Be-Schreibung, den anhängenden Patentansprüchen und den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, worin:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht von drei Ende an Ende verbundenen Kristallsegmenten ist;
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Figur 2 eine perspektivische Ansicht von drei Seite an Seite verbundenen Kristallsegmenten ist;

Figur 3 eine Querschnittsansicht des Kristalls von Figur 0 1 entlang der Linie 3-3 in Figur 1 ist;

Figur 4 schematisch eine Laservorrichtung zeigt, die einen Kristall der vorliegenden Erfindung verwendet;

Figur 5 ein Prozeß-Ablaufdiagramm zum Formen des Multi-

formkristalls der vorliegenden Erfindung ist;

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Figur 6 schematisch eine erste Spannvorrichtung zeigt, die zur Herstellung des Multiformkristalls der vorliegenden Erfindung nützlich ist;

Figur 7 schematisch eine zweite Spannvorrichtung zeigt, die zur Herstellung des Multiformkristalls der vorliegenden Erfindung nützlich ist.

Bezugnehmend auf Figur 1 umfaßt ein Multiformkristall der vorliegenden Erfindung drei Einkristallsegmente 12a, 12b und 12c, die mit einer Verbindung 14a zwischen den Segmenten 12a und 12b und einer Verbindung 14b zwischen den Segmenten 12b und 12c miteinander verschmolzen sind. Die Verbindungen 14a und 14b sind für sich durch den Kristall 10 ausbreitendes Licht im wesentlichen optisch transparent. Der Kristall 10 kann jede Art von Kristallsegmenten 12 enthalten und ist für optische Anwendungen wie beispielsweise Laseranwendungen besonders nützlich. Deshalb ist es bei dieser Patentanmeldung beabsichtigt, die Herstellung von Multiformkristallen für andere Anwendungen, die Kristalle hoher Reinheit erfordern, abzudecken. Die hier gegebenen Beispiele für Laserkristalle dienen zur Illustration des Prozesses der vorliegenden Erfindung.

Für Laseranwendungen nützliche Einkristallsegmente 12, die verbunden werden können, um den Multiformkristall 10 der vorliegenden Erfindung zu formen, schließen "YAG", Yttrium-Aluminiumoxid mit einer Granatstruktur; Yttrium-Lithiumfluorid "YLF"; Kaliumtitanylphosphat "KTP"; Galliumarsenid; Indiumphosphid; Zinksulfid und Zinkselenid ein. Diese Kristallsegmente werden unter Verwendung herkömmlicher Kristallwachsverfahren, wie zum Beispiel den in R.A. Laudis, "The Growth of Single Crystals", Prentice-Hall, Eaglewood Cliffs, N.J. (1970); U.S. Patentanmeldung Nr. 3,715,194 von Plooster; und U.S. Patentanmeldung Nr. 4,957,713 an Kravetsky gewachsen und sind von Union Carbide, Tacoma, Washington und Lighting Optics, Tarpoon Springs, Florida kommerziell erhältlich. Um Laserkri-

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stalle zu formen, werden die Kristalle typischerweise mit ei_e ner Dotierung dotiert, die bewirkt, daß der Kristall Licht mit einer bestimmten Frequenz verstärkt oder auf diese Frequenz "abgestimmt" wird. YAG-Kristalle werden zum Beispiel typischerweise mit Neodym dotiert und YLF-Kristalle werden typischerweise mit Chrom, Tellur oder Holmium dotiert.

Die Einkristallsegmente 12 des Multiformkristalls 10 können ausschließlich Laser-Kristallsegmente umfassen oder können sowohl Laser- als auch Nicht-Laser-Kristallsegmente umfassen. Wenn der Multiformkristall 10 nur Laserkristalle umfaßt, ist der gesamte Kristall als Licht resonierender Kristall nützlich. Wenn der Multiformkristall 10 undotierte "Nicht-Laser"-Kristalle umfaßt, kann der Multiformkristall durch Halten der Nicht-Laserkristalle, in einer Laservorrichtung gehalten werden, um den Intensitätsverlust des sich durch den Kristall ausbreitenden Lichts zu minimieren. Der Multiformkristall 10 umfaßt vorzugsweise sowohl Laser- als auch Nicht-Laser-Kristallsegmente .

Die Kristallsegmente 12 können Ende an Ende oder an ihren Seiten verbunden werden. Die Verbindungen 14 zwischen den Einkristallsegmenten 12 sind im wesentlichen optisch transparent. Die Verbindung 14 ist entweder wie in Figur 1 und 3 gezeigt transversal zum Weg von sich durch den Kristall ausbreitendem Licht oder wie in Figur 2 gezeigt parallel zum Lichtweg. Wenn die Verbindung 14 zwischen den Einkristallsegmenten 12 transversal zum Weg des sich ausbreitenden Lichts ist, beträgt der Intensitätsverlust des sich durch die Verbindung ausbreitenden Lichts weniger als etwa 5% und vorzugsweise weniger als etwa 1%. Wenn die Verbindung 14 zwischen den Kristallsegmenten 12 im wesentlichen parallel zum Weg des sich ausbreitenden Lichts verläuft, ist der Intensitätsverlust des sich durch die Verbindung ausbreitenden Lichts vernachlässigbar und hat im all-5 gemeinen keine nachteiligen Auswirkungen auf die Lichtverstärkungseigenschaft des Kristalls. Der Intensitätsverlust

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von sich durch den Kristall ausbreitendem Licht wurde wie unr ten beschrieben gemessen.

Bezugnehmend auf Figur 4 kann der Multiformkristall 10 in einer Laservorrichtung 15 verwendet werden. Die Laservorrichtung 15 umfaßt typischerweise ein Gehäuse mit einem darin befindlichen Licht resonierenden Hohlraum 18. Der Multiformkristall 10 wird in der Mitte des Licht resonierenden Hohlraums 18 angebracht. Der Hohlraum 18 ist von einer reflektierenden zylindrischen Wand 19 umgeben und die Längsachse des Kristalls ist an der Längsachse des resonierenden Hohlraums 18 ausgerichtet. Eine zum Bereitstellen von Licht zum Pumpen des MuI-tiformkristalls 10 geeignete Laserpumpe wie beispielsweise eine Xenon-Wendellampe 20 befindet sich im Gehäuse 16. Der MuI-tiformkristall 10 wird im resonierenden Hohlraum 18 typischerweise durch die Klemmen 22 gehalten. Wenn der Multiformkristall 10 sowohl Laser- als auch Nicht-Laser-Kristallsegmente umfaßt, werden die Klemmen 22 dazu verwendet, den Multiformkristall durch Halten der Nicht-Laserkristalle zu halten, um 0 den Intensitätsverlust des sich durch den Kristall 10 ausbreitenden Lichts zu minimieren. Somit halten die Klemmen 22 wie in Figur 4 gezeigt die Nicht-Lasersegmente 12a und 12c.

PROZESS UND HERSTELLUNG

Im Flußdiagramm in Figur 5 ist allgemein ein Prozeß zum Formen des Multiformkristalls dargestellt. Im Prozeß werden Einkristallsegmente 12 ausgewählt und in einer Polierstufe 52 poliert, um auf jedem Kristallsegment 12 wenigstens eine optisch ebene Fläche zu formen. Jede Fläche wird vorzugsweise so poliert, daß sie eine Rauheit von weniger als der Hälfte (1/2) der Wellenlänge und besser weniger als ein Viertel (1/4) der Wellenlänge des durch das Kristallsegment zu leitenden Lichts besitzt. Nach dem Polieren werden die optisch ebenen Flächen der Kristallsegmente 12 optional ein einer Ätzstufe 54 geätzt und dann in einer Reinigungsstufe 55 gereinigt, um Polierabrieb und Verunreinigungen zu entfernen. Die gereinigten und

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» &diams;

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polierten Flächen der Kristallsegmente werden miteinander in Kontakt gebracht, um in einer Verbindungsstufe 56 eine Verbindung 14 zwischen ihnen zu formen. Als nächstes werden die verbundenen Kristallsegmente in einer Stufe 58 mit einem Sauerstoff-Gettermaterial behandelt. Dann wird die Verbindung in einer Verschmelzungsstufe 60 auf ausreichend hohem Druck und ausreichend hoher Temperatur gehalten, um die Kristallsegmente 12 miteinander zu verschmelzen und einen Multiformkristall 10 mit einer im wesentlichen optisch transparenten Verbindung 14 zu formen.

Die verwendeten Einkristallsegmente 12 sind im allgemeinen größer als die gewünschte Größe des im Prozeß geformten Multiformkristalls 10. Es sind größere Segmente nötig, da während des Polierschritts ein Teil des Kristallsegments abpoliert wird. Die polierten Segmentflächen haben auch typischerweise abgerundete Kanten, welche die tatsächliche Querschnittsfläche der im Multiformkristall geformten Bindung verringern. Um ein poliertes Kristallsegment 12 mit einer Länge von etwa 22 cm und einer Querschnittsfläche von 2 &khgr; 2,5 cm zu erhalten, sollten die ursprünglichen Kristallsegmente somit typischerweise eine Länge von 25,5 cm und eine Querschnittsfläche von 2,5x3 cm haben, oder etwa 3,5 cm länger und 5 mm breiter als die gewünschten endgültigen Kristallabmessungen

25 sein.

Nun werden die Details jedes Prozeßschritts beschrieben.

Polieren 30

Die Kristallsegmente 12 werden entlang bestimmten Kristallflächen poliert, so daß der Multiformkristall 10, der sich ergibt, wenn die Kristallsegmente 12 miteinander verbunden werden, geeignet orientiert für Laseranwendungen ist. Die zum Polieren geeignete Kristallebene des Kristallsegments 12 wird unter Verwendung herkömmlicher Röntgendiffraktometerverfahren, wie beispielsweise den in B.D. Culli-

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ty, Elements of X-Ray Diffraction, Addison-Wesley, New York « (1985) , das hierin durch diese Bezugnahme enthalten ist, beschriebenen, identifiziert und markiert. Die Kristallebenen müssen mit einem ausreichenden Grad an Genauigkeit markiert werden, so daß der Unterschied in der Parallelität der angrenzenden Kristallsegmentflächen weniger als etwa 5° und besser weniger als etwa 1° beträgt, wenn die polierten Flächen der Kristallsegmente 12 zusammengebracht werden.

Die Kristallsegmente 12 werden entlang der markierten Flächen unter Verwendung herkömmlicher Polierverfahren, die aufeinanderfolgende Polierschritte mit einem nach und nach kleineren Poliermittel verwenden, poliert. Ein zum Polieren der Kristallsegmente geeigneter Lieferant ist VECO OPTICS, San Jose, California. Die Segmente werden poliert, bis eine optisch ebene Oberfläche gebildet ist. Mit optisch eben ist gemeint, daß die Planheit der Oberfläche und die Planheit ausreichend niedrig sind, so daß die Verbindung zwischen den Kristallsegmenten im wesentlichen optisch transparent ist, wenn die Kristallsegmente verbunden werden. Die Planheit der Oberfläche ist der vertikale Abstand zwischen den Spitzen und Tälern der Strukturen auf der polierten Fläche und beträgt vorzugsweise weniger als etwa 40 Ä und besser weniger als etwa 2 0 Ä. Die Planheit der Oberfläche ist ein Maß für die Ende-an-Ende-Parallelität der polierten Oberfläche und beträgt vorzugsweise weniger als &lgr;/2 und besser weniger als &lgr;/4 und am besten weniger als &lgr;/10, wobei &lgr; die "abgestimmte" Wellenlänge des Multiformkristalls ist. Für einen Multiformkristall mit einer abgestimmten Wellenlänge von 1,6 Mikrometer beträgt die Planheit der Oberfläche vorzugsweise weniger als wenigstens etwa 0,265 Mikrometer und besser weniger als wenigstens etwa 0,106 Mikrometer.

Während des Polierens wird die Beschädigung unter der Oberfläche der Kristallsegmente 12 minimiert, da eine derartige Beschädigung die Transparenz der Bindungslinie verringern kann. Nach dem Polieren können die Kristallsegmente 12 unter

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Verwendung eines optischen Mikroskops untersucht werden, um sicherzustellen, daß die polierten Kristallflächen keine sichtbaren Kratzer, Löcher oder Vertiefungen haben und daß unter den polierten Flächen keine Beschädigungen unter der Oberfläche, wie darunterliegende Brüche und Splitter vorliegen.

Ätzen

Die polierten Flächen der Kristallsegmente werden nach dem Polierschritt optional in einer Ätzstufe 54 geätzt. Das Ätzen ist zum Entfernen polymerischer und metallischer Verunreinigungen, die an den polierten Flächen der Kristallsegmente haften, nützlich» Ein geeignetes Ätzmittel enthält eine Mischung aus Salpeter-, Chrom- und Schwefelsäure im Verhältnis von etwa 1:1:1. Ein anderes Ätzmittel enthält eine oxidierende Lösung wie ein 2%iges Bad aus Wasserstoffperoxid zum Oxidieren der Verunreinigungspartikel auf der polierten Kristallfläche. Der Ätzschritt erfolgt vorzugsweise durch Einbringen des Kristallsegments in ein die Ätzlösung enthaltendes Ultraschallbad für etwa 1 bis 5 Minuten.

Reinigen

In der Reinigungsstufe 55 werden die polierten Kristallsegmente unter Verwendung mehrerer Spülschritte gründlich gereinigt. Die polierten Segmente 12 werden vorzugsweise durch Einbringen der polierten Segmente in ein reinigendes Lösungsmittel wie Azeton, Methanol oder Isopropanol enthaltendes Ultraschallbad gereinigt. Der Ultraschall-Reinigungsschritt entfernt an den Segmentflächen haftendes Poliermittel und restliches Befestigungsharz. Es werden typischerweise wenigstens zwei aufeinanderfolgende Ultraschall-Spülschritte verwendet, wobei jeder Schritt etwa 5 bis etwa 10 Minuten dauert.

Nach den Ätz- und Reinigungsschritten wird ein mit Methanol getränkter flusenfreier Tupfer über die polierten Flächen der Kristallsegmente gewischt, um restlichen Schmutz oder restliches Fett zu entfernen. Dann wird das Segment unter re-

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flektiertem Licht in einem optischen Mikroskop untersucht und : übriggebliebene Flusen und übriggebliebener Schmutz werden unter Verwendung zusätzlicher mit Methanol getränkter Tupfer von der polierten Kristallfläche entfernt. 5

Verbinden

Nach dem Reinigen werden die polierten Flächen der Kristallsegmente im Verbindungsschritt 56 aneinandergebracht, um zwischen ihnen eine Verbindung zu formen. Vorzugsweise wird ein ausreichender Druck auf die Kristallsegmente 12 ausgeübt, um die Luft in der Verbindung 14 zu entfernen. Ein Druck von etwa 70 bis etwa 1.750 g/cm² (etwa 1 bis etwa 25 lbs./sq. inch) reicht typischerweise aus, um im wesentlichen die gesamte in der Verbindung 14 eingeschlossene Luft zu entfernen. Es ist wünschenswert, daß in der Verbindung 14 ein einheitlicher Kontakt vorliegt. Ein derartiger einheitlicher Kontakt tritt auf, wenn die Schnittfläche zwischen den polierten Flächen nichtreflektierend wird.

Anwenden des Sauerstoff-Getters

In der Verbindung 14 zwischen den Kristallsegmenten 12 eingeschlossener Sauerstoff und Lösungsmittel wird während der Verschmelzungsstufe unter Verwendung eines Sauerstoff-Gettermaterials wie einer Folie aus Titan, Niob, Molybdän, Columbium, Tantal oder Kobalt entfernt, die während der Sauerstoff-Getterstufe 58 um die Kristallsegmente 12 gewickelt wird. Die Sauerstoff-Getterfolie wird zunächst durch Einbringen der Folie in ein eine Reinigungslösung wie Azeton, Methanol oder Isopropanol enthaltendes Ultraschallbad in zwei aufeinanderfolgenden Ultraschall-Spülschritten gereinigt, wobei jeder Schritt etwa 5 bis etwa 10 Minuten dauert. Nach dem Reinigen wird die Folie aus dem Sauerstoff-Gettermaterial um die Kristallsegmente 12 gewickelt und die umwickelten Kristallsegmente werden in einem evakuierten atmosphärischen Ofen untergebracht. Wenn die Kristallsegmente 12 aufgeheizt werden, rea-

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gieren der Sauerstoff und das Lösungsmittel auf den polierten Kristallsegmentflächen mit der Sauerstoff-Getterfolie. Der zum Aufheizen der Kristallsegmente 12 verwendete Heizzyklus kann derselbe Heizzyklus wie der unten beschriebene Ver-Schmelzungszyklus oder ein getrennter Heizzyklus sein. Ein für YAG-Kristalle geeigneter Heizzyklus beinhaltet das Halten des Kristalls auf einer Temperatur von etwa 500⁰C für etwa vier Stunden in einer Kammer, die auf einem Druck von etwa 10~⁶ Torr gehalten wird.
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Verschmelzung

Die aneinanderliegenden polierten Kristallsegmente 12 werden dann in einer Spannvorrichtung (unten beschrieben) befestigt, welche die Kristallsegmente während der Verschmelzungsstufe 60 fest gegeneinander drückt. Zum Halten und Gegeneinanderpressen der polierten Flächen der Kristallsegmente wurden zwei alternative Spannvorrichtungen entworfen. Die Art der verwendeten Spannvorrichtung hing von der Größe der miteinander zu verbindenden Kristallsegmente 12 und der Atmosphäre, in der das Verschmelzen auftritt, ab.

Um zu verhindern, daß die Kristallsegmente mit der Spannvorrichtung zu verschmelzen, kann der Kristall in der Spannvorrichtung mit einem Trennelement zwischen dem Kristall und dem Kompressionselement der Spannvorrichtung befestigt werden. Das Trennelement kann hohen Temperaturen widerstehen, ohne zu verdampfen, zu schmelzen oder mit den Kristallsegmenten zu reagieren. Geeignete Trennmittel beinhalten Oxide, Nitride und Karbide wie Zirkonoxid, Bornitrid, Siliziumnitrid und Wolframkarbid. Wenn das Kristallsegment in einer oxidierenden Atmosphäre wie beispielsweise einer Sauerstoff oder Luft enthaltenden Atmosphäre aufgeheizt wird, sind Zirkonoxid oder Thoriumoxid wie zum Beispiel ZrO2 Filz oder Gewebe, kommerziell erhältlich von Zirvar Products, Florida, New York, geeignete Trennmittel. Wenn das Kristallsegment in einer reduzierenden Atmosphäre wie einer Stickstoff oder ein inertes Gas enthal-

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tenden Atmosphäre aufgeheizt wird, ist Bornitrid ein geeignetes Trennmittel.

Um die Kristallsegmente 12 zu verschmelzen, wird eine Spannvorrichtung mit den darin befestigten Kristallsegmenten in einem atmosphärischen Ofen untergebracht, der die Kristallsegmente in einer kontrollierten Gasatmosphäre aufheizen kann. Ein geeigneter atmosphärischer Ofen ist ein programmierbarer temperaturgeregelter Ofen vom Typ "LINDBERG MODEL 54454", kommerziell erhältlich von Lindberg Company, Watertown, Wisconsin, oder ein "VACUUM INDUSTRIES MODEL 40", kommerziell erhältlich von Vacuum Industries, Somerville, Massachusetts. Der atmosphärische Ofen wird dann auf eine Temperatur aufgeheizt, die hoch genug ist, um die Kristallsegmente 12 an der Verbindung 14 zwischen den Kristallsegmenten zu verschmelzen. Die zum Aufheizen der Kristallsegmente 12 auf die Verschmelzungstemperatur verwendete Heizrate ist niedrig genug, um zu verhindern, daß die Kristallsegmente wegen des durch rasche Anstiege der Temperatur bewirkten thermischen Schocks brechen. Die Heizrate hängt auch von der Größe der Kristallsegmente ab, wobei größere Kristallsegmente niedrigere Heizraten erfordern und kleinere Kristallsegmente höheren Heizraten widerstehen können. Die Heizrate reicht typischerweise von etwa 50 bis °C/Stunde. Kristallsegmente mit einer Länge von 22,86 cm (9 Inch) und einem Durchmesser von etwa 2,54 cm (1 Inch) werden somit mit einer Heizrate von etwa 50 bis 75 °C/h aufgeheizt, während Kristalle mit Abmessungen kleiner als etwa 3 cm mit Heizraten von bis zu etwa 150°C/Stunde aufgeheizt werden können.
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Die Verschmelzungstemperatür hängt von der Beweglichkeit der Ionen des Kristalls ab. Kristalle mit niedriger Beweglichkeit der Ionen erfordern eine hohe Verschmelzungstemperatur und umgekehrt. Die obere Grenze der Verschmelzungstemperatur ist die niedrigere von (i) der Schmelztemperatur des Kristalls und (ii) der Schmelztemperatur der Komponenten des Ofens und der Spannvorrichtung. Es wurde experimentell festgestellt, daß

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eine zum Verschmelzen von Kristallsegmenten aus Yttrium-Aluminiumoxid geeignete Temperatur von etwa 1200⁰C bis etwa 1700⁰C beträgt und besser etwa 1650⁰C beträgt. Es wurde ebenfalls experimentell festgestellt, daß eine zum Verschmelzen von Kristallsegmenten aus Yttrium-Lithiumfluorid geeignete Temperatur von etwa 300⁰C bis etwa 1000⁰C beträgt und besser etwa 725⁰C beträgt. Es wird angenommen, daß geeignete Verschmelzungstemperaturen für Kaliumtitanylphosphatkristalle von etwa 50O⁰C bis etwa 1000⁰C reichen; für Galliumarsenidkristal-Ie von etwa 500⁰C bis etwa 124O⁰C reichen; für Indiumphosphidkristalle von etwa 500⁰C bis etwa 1070⁰C reichen; für Zinksulfidkristalle von etwa 500⁰C bis etwa 1000⁰C reichen; und für Zinkselenidkristalle von etwa 700⁰C bis etwa 1200⁰C reichen.

Bevor die Kristallsegmente 12 aufgeheizt werden wird der atmosphärische Ofen vorzugsweise in einem Evakuierungsschritt 59 evakuiert. Wenn die Kristallsegmente 12 ein Oxidmaterial enthalten, bewirkt das Evakuieren des Ofens, daß der Sauerstoff in den Segmenten bei den Schmelztemperaturen von den Metallionen dissoziiert, und dadurch im Kristall freie Metallionen gebildet werden. Die freien Metallionen können rascher durch die Oberflächen der Verbindung diffundieren und bewirken dadurch, daß die Kristallsegmente mit einer höheren Rate verschmelzen. Das Evakuieren des Ofens auf einen niedrigen Druck verbessert auch die Sauerstoff-Getterfähigkeit der Getterfolie. Somit wird der Ofen vorzugsweise auf einen Druck von wenigstens etwa 1 Torr und besser wenigstens etwa 10~⁶ Torr evakuiert. Wenn der Ofen evakuiert wird, werden die Kristallsegmente typischerweise für eine von etwa 10 bis 50 Stunden rei-0 chende Zeitspanne und typischer für etwa 15 bis 40 Stunden auf der Verschmelzungstemperatur gehalten.

Wenn die Kristallsegmente ein Oxid wie beispielsweise Yttrium-Aluminiumoxid enthalten, wird der verschmolzene Multi-5 formkristall nach der Verschmelzung in einer Sauerstoffatmosphäre unter Verwendung desselben Wärmebehandlungszyklus wie des zum Verschmelzen der Kristallsegmente verwendeten aufge-

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heizt. Der Schritt der Sauerstoff-Wärmebehandlung ist nötig, um die Teile der Kristallsegmente zu oxidieren, die in der Evakuierungs- und Verschmelzungsstufe reduziert oder an Sauerstoff verarmt wurden. Wenn die Kristallsegmente ein Nicht-Oxidmaterial wie Yttrium-Lithiumfluorid enthalten, ist der Sauerstoff-Wärmebehandlungsschritt nicht nötig.

Statt der Evakuierung des Ofens während des Verschmelzungsprozesses kann während der Verschmelzung optional eine oxidierende oder reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten werden. Eine oxidierende Atmosphäre wird verwendet, wenn die Kristallsegmente wie YAG-Kristalle ein Oxid enthalten. Eine reduzierende Atmosphäre wird für Nicht-Oxid-Kristallmaterialien wie Kristalle aus Yttrium-Lithiumfluorid, Kaliumtitanylphosphat, Galliumarsenid, Indiumphosphid, Zinksulfid und Zinkselenid verwendet. Durch Einleiten von Sauerstoff in den Ofen kann im Ofen eine oxidierende Atmosphäre aufrechterhalten werden und durch Einleiten eines inerten Gases wie Stickstoff oder Argon in den Ofen kann im Ofen eine reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten werden. Wenn im Ofen eine oxidierende oder reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten wird, wird die Verschmelzungstemperatur typischerweise für etwa 10 bis etwa Stunden und typischer für etwa 135 Stunden aufrechterhalten.

Nach dem Verschmelzungsprozeß wird der Multiformkristall 10 dann poliert, um einen für die Verwendung in Festkörperlaseranwendungen geeignete Konfiguration zu formen. In diesem Schritt werden herkömmliche Laserkristallkonfigurationen und Polierverfahren verwendet.

Wärmebehandlung

Der zum Verschmelzen der Kristallsegmente verwendete Temperaturzyklus kann auch dazu verwendet werden, die Laser-Einkristalle einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Die Wärmebehandlung reduziert die Niveaus der Verunreinigungen wie Halogenide und Metalle enthaltende Arten, die in frisch gewach-

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senen Laserkristallen vorliegen. Die Wärmebehandlung kann auch die Menge der Gitterfehler wie Versetzungsebenen im Kristall verringern. Das Entfernen der Verunreinigungen und Gitterfehler aus dem Kristall erhöht die Lichtverstärkungseigenschaften des Kristalls.

Beim Wärmebehandlungsprozeß wird ein Kristall mit Verunreinigungen und Gitterfehlern in einem Ofen untergebracht. Zwischen dem Kristall und dem Ofen wird ein Trennmittel wie beispielsweise ZrO2~Pulver angebracht, um zu verhindern, daß der Kristall während des Prozesses am Ofen haftet. Dann wird der Kristall für eine ausreichende Zeit auf eine Temperatur aufgeheizt, die ausreicht, um zu bewirken, daß die Verunreinigungen im Kristall zur Oberfläche des Kristalls diffundieren und verdampfen und die Gitterfehler im Kristall zu vernichten. Die zum Verschmelzen des Kristalls geeigneten Temperaturzyklen sind wie vorher beschrieben auch zur Wärmebehandlung des Kristalls geeignet. Somit können zum Beispiel YAG-Kristalle durch Aufheizen des Kristalls auf eine von 1200⁰C bis 1700⁰C reichende Temperatur und besser auf 1650⁰C für etwa 80 Stunden einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Andere Laserkristalle können entsprechend unter Verwendung der vorher beschriebenen Verschmelzungstemperatur-zyklen der Wärmebehandlung unterzogen werden. Der Wärmebe-handlungsprozeß kann in Luft oder einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre oder in einem Vakuum von wenigstens etwa 1 Torr und besser von wenigstens etwa 10~⁶ Torr ausgeführt werden. Wenn der Kristall ein Oxid enthält und eine Vakuum-Wärmebehandlung verwendet wird, ist der Kristall nach der Wärmebehandlung teilweise an Sauerstoff verarmt. Durch Wärmebehandlung des Kristalls in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre unter Verwendung desselben Temperaturzyklus wie des zur Wärmebehandlung des Kristalls verwendeten wird Sauerstoff wieder in den Kristall zurückgeführt.

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SPANNVORRICHTUNG

In Figur 6 ist eine zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Spannvorrichtung 61 gezeigt. Die Spannvorrichtung kann zum Gegeneinanderhalten großer Einkristallsegmente 12a und 12c verwendet werden, die etwa 28 cm (11 Inch) lang sind und eine Querschnittsfläche von 5 &khgr; 5 cm (2x2 Inch) haben. Diese Spannvorrichtung 61 umfaßte gegenüber hohen Temperaturen widerstandsfähige Blöcke 62 aus Aluminium. Die Blöcke 62 sollten ein Gewicht haben, das ausreicht, um eine von etwa 100 bis 10.000 g reichende und besser etwa 4.400 g betragende Last auf die Kristallsegmente 12 auszuüben. Zum Zusammenhalten der Spannvorrichtung können durch die Blökke verlaufende Aluminiumstäbe (nicht gezeigt) bereitgestellt werden. Um zu verhindern, daß die Blöcke 62 an den Kristallsegmenten 12 haften, kann ein Trennmittel 68 verwendet werden.

Eine zweite zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Spannvorrichtung 70 dient zum festen Gegeneinanderhalten kleiner Kristallsegmente. Diese Segmente haben typischerweise Größen, die von etwa 0,5 cm bis etwa 15 cm reichen. Die Spannvorrichtung enthält innerhalb einer Ofenwand 73 eine Lehre 72 zum Zusammenhalten der Kristallsegmente 12a und 12b Seite an Seite. Die Lehre 72 umfaßt einen Träger 74 und ein Kompressionselement, wie einen länglichen Stab 76. Der Stab 76 besitzt ein Kompressionsende 76a und ein entferntes Ende 76b zum Bereitstellen einer Kompressionskraft, um die Kristallsegmente 12 zusammen gegen den Träger 74 zu pressen. Eine Steuerung wie beispielsweise eine Kompressionsfeder 78 wird zum einstellbaren Steuern des Ausmaßes bereitgestellt, mit dem der Kompressionsstab 76 die Kristallelemente 12 zusammenpreßt.

Zum automatischen Kompensieren der thermischen Ausdehnung des Kompressionselements, die auftritt, wenn die Spannvorrichtung im Ofen untergebracht wird, wird ein Kompensierer bereitgestellt. Der Kompensierer umfaßt ein Spannelement, wie ein

-18-

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Paar von mit dem Träger 74 verbundenen Spannstäben 84. Die Spannstäbe 84 besitzen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der etwa gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kompressionsstabs 76 ist. Dies wird erreicht, indem alle Stäbe 76 und 84 aus demselben Material hergestellt werden. Wenn die Spannvorrichtung im Ofen 73a untergebracht wird und die Kompressions- und Spannstäbe durch den Ofen 73a aufgeheizt werden, bewegt die Ausdehnung der Spannstäbe 84 den Träger 74 um etwa dieselbe Entfernung wie die thermische Ausdehnung des Kompressionsstabs 70 die Kristallsegmente 12 bewegt. Somit verhindert der Kompensierer im wesentlichen vollständig, daß die thermische Ausdehnung des Kompressionsstabs 76 die Kompressionskraft auf die Kristallsegmente 12 erhöht.

Die durch die Feder 78 ausgeübte Kraft wird durch eine mit einem Gewinde durch eine Endplatte 82 in Kontakt mit der Feder 78 stehende Flügelschraube 80 gesteuert, welche gegen einen am entfernten Ende 76b des Kompressionsstabs 76 angebrachten Kompressionsblock 82 drückt.

Der Kompressionsblock 83 umfaßt vorzugsweise einen isolierenden Reflektor, der ein wärmeisolierendes Material 86 und einen Schutzschild 88 umfaßt, der Wärme von der Steuerung wegreflektieren kann. Zum Befestigen der Spannvorrichtung 70 an der Ofenwand 73 wird eine Befestigungsklammer 90 bereitgestellt. Zwischen dem Kompressionsstab 76 und einem der Kristallsegmente 12b wird ein erstes Trennelement 96a bereitgestellt und zwischen einem der Kristallsegmente 12a und dem Träger 74 wird ein zweites Trennelement 96b bereitgestellt.

Messungen von Lichtdämpfunqs- und Energieextraktionskoeffizienten

Die Dämpfung oder der Intensitätsverlust von sich durch den Multiformkristall ausbreitendem Licht können unter Verwendung herkömmlicher Verfahren gemessen werden. Das verwendete Verfahren umfaßte das Richten eines Lichtstrahls mit einer zum

-19-

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Anregen des Kristalls geeigneten Wellenlänge in den Multiformkristall und das Messen des Intensitätsverlustes des Strahls durch den Kristall. Der Lichtstrahl wurde unter Verwendung einer Lichtquelle wie beispielsweise eines diodengepumpten Nd:YAG-Lasers erzeugt. Der Durchmesser des Lichtstrahls wurde so eingestellt, daß er einen Strahl mit einer Querschnittsfläche ergab, die näherungsweise der zweifachen Querschnittsfläche des Kristalls entsprach. Es wurde ein kontinuierlicher oder ein gepulster Lichtstrahl verwendet. Als ein kontinuierlicher Lichtstrahl verwendet wurde, wurde ein Leistungsmesser dazu verwendet, die Intensität des auf den Kristall einfallenden Lichtstrahls und die Intensität des aus dem Kristall kommenden Lichtstrahls in Watt zu messen. Als ein gepulster Lichtstrahl verwendet wurde, wurde ein Energiemesser dazu verwendet, die Intensität des in den Kristall einfallenden Strahls und des aus dem Kristall herauskommenden Strahls in Joule zu messen. Ein geeigneter Leistungsmesser ist ein Meßgerät "MODEL NO. PM 5200", kommerziell erhältlich von Molectron, Cantobello, California. Geeignete Meßgeräte sind auch von Laser Precision, Utica, New York und von Scientech, Boulder, Colorado kommerziell erhältlich. Der Intensitätsverlust des durch den Kristall gerichteten Lichtstrahls wurde als das Verhältnis der Intensität des einfallenden Lichtstrahls zur Intensität des aus dem Kristall kommenden Lichtstrahls berech-

25 net.

Der Energieextraktionskoeffizient des Multiformkristalls wurde unter Verwendung eines zweistufigen Verfahrens gemessen. Zur Durchführung aller Lichtintensitätsmessungen wurden Leistungs- oder Energieraeßgeräte wie oben beschrieben verwendet. In der ersten Stufe des Verfahrens wurde ein schwacher Lichtstrahl mit einer Energie von etwa 0,001 Joule in den Multiformkristall gerichtet und die Energie des aus dem Kristall kommenden Lichtstrahls wurde gemessen. Die Kleinsignalverstärkung im Kristall wurde unter Verwendung der folgenden Formel gemessen:

• · * t

wobei: go = Verstärkung/cm Kristallänge L = Länge des Kristalls
IlN ⁼ Intensität des in den Kristall gerichteten

5 Lichtstrahls

lOUT = Intensität des aus dem Kristall kommenden

Lichtstrahls

Die im Kristall gespeicherte Energie wurde aus der experimentell gemessenen Signalverstärkung unter Verwendung der folgenden Formel abgeschätzt:

_ g₀ L A h &ngr;
^ES - ä

wobei: Es = im Kristall gespeicherte Energie

L = Länge des Kristalls A = Querschnittsfläche des Kristalls 15 h = Heisenbergsche Unschärfekonstante

&ngr; = Frequenz des durch den Kristall gerichteten

Lichtstrahls &sgr; = Emissionsquerschnitt des Laserübergangs

für den Kristall 20

In der zweiten Stufe des Verfahrens wurde ein starker Lichtstrahl mit einer Energie von etwa 1 Joule durch den Kristall gerichtet. Ein? die Energie des in den Kristall gerichteten Strahls und EouT/ die Energie des aus dem Kristall kommenden Strahls wurden wie vorher gemessen. Die aus dem Kristall extrahierte Energie (Eex) wurde dann unter Verwendung der Formel Eex = EouT - Ein berechnet. Schließlich wird der Energieextraktionskoeffizient (&eegr;&Egr;&KHgr;) unter Verwendung der Formel &eegr;&Egr;&KHgr; = Eex/Es bestimmt.
30

Beispiele 1 und 2

In diesen Beispielen wurden drei dotierte Yttrium-Aluminiumoxid (YAG) Kristallsegmente jeweils mit einer Länge

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von 22 cm und einer Querschnittsfläche von etwa 2x2,5 cm miteinander verbunden.

Die Kristallsegmente 12 wurden entlang ihrer Längsseiten parallel zur Richtung des Wachstums der Kristalle (entsprechend der a-Ebene der Kristalle) poliert, so daß die Segmente 12 entlang ihrer Längsseiten verbunden werden konnten, um wie in Figur 2 gezeigt einen Multiformkristall 10 mit großem Querschnitt zu formen. Das Polieren erfolgte unter Verwendung aufeinanderfolgender Polierschritte mit zunehmend feineren Poliermitteln, bis die Flachheit der Oberfläche der polierten Kristalle von etwa &lgr;/4 bis etwa &lgr;/10 reichte und die Flachheit der Oberfläche der Kristalle von Spitzen zu Tälern von etwa 20 bis 40 Ä reichte. Für mit Neodym dotierte YAG-Kristalle ist &lgr; = 1,064 &mgr;&idiagr;&eegr;. Nach dem Polieren wurden die polierten Flächen der Kristallsegmente 12 in einem optischen Mikroskop untersucht, um sicherzustellen, daß die polierten Flächen keine Kratzer, Löcher oder Vertiefungen hatten.

Die polierten Segmente 12 wurden in einer 10%igen Salpetersäurelösung geätzt. Nach dem Ätzen wurden die Segmente durch Einbringen der Segmente in ein azetonhaltiges Ultraschallbad für etwa 0,5 bis 1 Minute gereinigt; gefolgt vom Einbringen in ein methanolhaltiges Ultraschallbad für weitere 0,5 bis 1 Minuten. Dann wurde ein flusenfreier Tupfer mit Methanol getränkt und über die Flächen der Kristallsegmente gewischt.

Nach dem Reinigen wurden die polierten Flächen der Kristallsegmente 12 miteinander in Kontakt gebracht. Für Beispiel 1 wurde kein Sauerstoff-Getterschritt durchgeführt. Für Beispiel 2 wurde der Aufbau aus Kristallsegmenten in eine saubere Sauerstoff-Getter-Niobfolie gewickelt. Die umwickelten Kristalle wurden in einem Vakuumofen auf eine Temperatur von 500⁰C aufgeheizt und für vier Stunden auf dieser Temperatur gehalten, um Sauerstoff und Lösungsmittel auf den Segmenten zu entfernen.

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Nach dem Schritt der Entfernung des Sauerstoffs wurden die Kristallsegmente ohne die Getterfolie in der Spannvorrichtung 61 von Figur 6 angebracht, die dann in einem Ofen untergebracht wurde. Auf jeder Seite der Spannvorrichtung 61 wurden zusätzliche Aluminiumblöcke {nicht gezeigt) zur Stabilisierung und zum Verhindern einer Bewegung der Spannvorrichtung 61 angeordnet. ZrO2-Körner und "ZrO2" Spray wurden als Trennmittel zwischen den Kristallsegmenten 12 und den Blöcken 62 der Spannvorrichtung 61 verwendet.

In Beispiel 1 wurde im Ofen eine Luftatmosphäre aufrechterhalten. Der Ofen wurde mit einer Rate von etwa 100°C/h auf eine Temperatur von 1650⁰C aufgeheizt, für 80 Stunden auf dieser Temperatur gehalten und dann mit einer Kühlrate von etwa 100°C/h auf Raumtemperatur abgekühlt.

In Beispiel 2 wurde ein atmosphärischer Ofen "VACUUM INDUSTRIES MODEL 40" verwendet. Der Ofen wurde auf einen Druck von 10~⁷ Torr evakuiert. Dann wurde der Ofen mit einer Rate von etwa 50°C/h auf eine Temperatur von 1650⁰C aufgeheizt, für 80 Stunden auf dieser Temperatur gehalten und dann mit einer Kühlrate von etwa 50°C/h auf Raumtemperatur abgekühlt. Dann wurde der Kristall in einem Ofen mit Luftatmosphäre mit einer Rate von 50°C/h auf eine Temperatur von 1650⁰C aufgeheizt, um den Kristall zu oxidieren.

Nach dem Abkühlen wurde der gebildete Multiformkristall 10 in einem optischen Mikroskop untersucht. Der in Beispiel 1 geformte Multiformkristall wies einen kleinen Bruch durch eines der Kristallsegmente auf. Der in Beispiel 2 geformte Multiformkristall wies kleine Brüche in den oberen und unteren Kristallen auf. Es wird angenommen, daß diese Brüche auftraten, da die Spannvorrichtung 61 eine uneinheitliche Last auf die Segmente ausübte. In beiden Beispielen war die Bindung zwischen den Kristallsegmenten von hervorragender Qualität, ohne Brüche und sichtbare Blasen, Poren oder Trübung.

-23-1G-73 482

Der auf die durch den Verschmelzungsprozeß erfolgte Wärmebehandlung zurückzuführende Anstieg des Energieextraktionskoeffizienten des Multiformkristalls wurde wie folgt abgeschätzt. Zuerst wurde der Energieextraktionskoeffizient des wärmebehandelten Multiformkristalls von Beispiel 1 unter Verwendung des vorher beschriebenen Verfahrens experimentell gemessen. Der experimentell bestimmte Energieextraktionskoeffizient des Multiformkristalls wurde zu 62% bestimmt. Dann wurde der Energieextraktionskoeffizient des Kristalls im nicht wärmebehandelten Zustand unter Verwendung herkömmlicher Schätzverfahren auf etwa 43% geschätzt. Der Anstieg des Energieextraktionskoeffizienten um etwa 20% ist auf den zum Verschmelzen der Kristallsegmente verwendeten Wärmebehandlungszyklus zurückzuführen. Es wird angenommen, daß der Wärmebehandlungszyklus den Grad an Verunreinigung im Kristall verringerte, indem er das Verdampfen der Verunreinigungen bewirkte und die Störstellen im Kristall durch Vernichten der Störstellen verringerte. Somit ist der Wärmebehandlungszyklus auch zur Erhöhung des Energieextraktionskoeffizienten jeglicher Kristalle nützlich.

Beispiele 3 bis 10

In diesen Beispielen wurden zwei oder drei dotierte und undotierte YLiF-Kristallsegmente an ihren Querschnitten aneinander gebunden. Wenigstens eines der Segmente hatte eine Länge von 13,1 cm und die anderen Segmente hatten eine Länge von 1,5 cm. Alle Segmente hatten einen Querschnitt von etwa 11 mm

30 &khgr; 6,5 mm.

Die YLiF-Kristalle wurden untersucht und die zur Richtung des Wachstums der Kristalle (entsprechend der c-Ebene) senkrechte kristallographische Ebene wurde für das Polieren markiert. Dann wurden die Kristallsegmente 12 entlang der markierten Ebene poliert, so daß die Flachheit der Oberfläche der polierten Fläche von etwa &lgr;/10 bis &lgr;/4 reichte und die Flach-

• &diams; · ·

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heit der Oberfläche der Kristalle von etwa 20 bis 40 K von Spitze zu Tal reichte. Für mit Holmium dotierte YLiF-Kristalle beträgt &lgr; = 2,067 &mgr;&pgr;&igr; und für mit Neodym dotierte YLiF-Kristalle beträgt &lgr; = 1,047 &mgr;&idiagr;&eegr;. Die Kristalle wurden mit einem optischen Mikroskop untersucht, um sicherzustellen, daß die Bindungsflächen keine Kratzer, Vertiefungen oder Löcher hatten und um sicherzustellen, daß sich in den Kristallen keine Beschädigungen unter der Oberfläche befanden.

Die polierten Segmente wurden durch Einbringen der Segmente in ein azetonhaltiges Ultraschallbad für etwa 10 Minuten gefolgt vom Einbringen in ein Isopropylalkohol enthaltendes Ultraschallbad für etwa 10 Minuten ultraschallgereinigt. Ein mit Methanol getränkter flusenfreier Tupfer wurde über die polierten Flächen der KristallSegmente gewischt, um zurückgebliebenen Schmutz oder Fett zu entfernen. Die gereinigten Segmente wurden in eine Klemmpinzette eingesetzt und in einem optischen Mikroskop unter reflektiertem Licht untersucht. Unter Verwendung feiner Pinzetten wurden Flusen und Schmutz auf den

20 gereinigten Flächen der Segmente entfernt.

Nach dem Reinigen wurden die polierten Flächen der YLiF-Kristallsegmente 12 miteinander in Kontakt gebracht und die Kristallanordnung wurde in der Lehre 72 der in Figur 7 gezeigten Spannvorrichtung 70 untergebracht. Eine Sauerstoff-Getterfolie aus Titan wurde gereinigt, mit einem Bornitrid-Trennmittel eingesprüht, um zu verhindern, daß die Folie sich mit den Kristallsegmenten verbindet, und um die in Kontakt gebrachten Kristallsegmente gewickelt. Die Schraube 80 der 0 Spannvorrichtung 70 wurde dann so eingestellt, daß sie einen Druck auf die Kristallsegmente 12 ausübte, um die Segmente gegeneinanderzuhalten. Es wird geschätzt, daß der durch die Spannvorrichtung 70 auf die Kristallsegmente ausgeübte Druck von etwa 70 bis etwa 1.750 g/cm^ (etwa 1 bis etwa 25 lbs./sq.

35 inch) reichte.

-25-16-73 482

Die Spannvorrichtung 70 mit den darin untergebrachten Kristallsegmenten 12 wurde in der heißen Zone eines atmosphärischen Ofens 73a angeordnet. Der Ofen war ein programmierbarer temperaturgeregelter Ofen vom Typ "LINDBERG MODEL 54454". Der Ofen wurde unter Verwendung eines Flusses von N2 bei einem Druck, von etwa 70 kPa (etwa 10 psi) für etwa 2 bis 10 Minuten gereinigt. Dann wurde der Ofen in einem der programmierten Temperaturzyklen wie in Tabelle I gezeigt aufgeheizt. Während des Verschmelzungsprozesses wurde Stickstoff mit einer Fließrate von 100 bis 200 cm³ bei Normalbedingungen (100 bis 200 sccm) und einem von 70 kPa bis 280 kPa (10 bis 40 psi) reichenden Druck in den Ofen geleitet.

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TABELLE I

-26-

BEISPIEL NR.	ANEINANDER GEBUNDENE YLiF-KRISTALLSEGMENTE	undotiert	undotiert	ANFANGS- FEMPERATUR	VERSCHMEL ZUNGS- TEMPERATUR	(H)	VERFÄRBUNGS OXIDATION	NICHT BINDEN	ERGEBNIS
&iacgr;	undotiert	undotiert	undotiert	(⁰C)	CC)	6
4	dotiert	undotiert	undotiert	25	650	14
5¹	dotiert	undotiert	47	650	14
6	dotiert	dotiert	25	700	40	sehr wenig	nein	undotierter Kristall war gebrochen und Ti-Folie schmolz an den Kristall
7	dotiert	dotiert	25	650	14	keine	ja	Eine Ecke des Kristalls wurde lose und die eine lange Kante war gebro chen und erodiert
8	undotiert	undotiert	25	700	14	keine	ja	eine Verbindung war gut, aber die andere war nur 50% gebunden mit Wachstum weißer Kristalle
9²	undotiert	undotiert	25	700	14	keine	ja	teilweise Bindung
10	undotiert		25	725	20	keine	nein	gute Bindung
	25	725³	keine	nein	gute Bindung

ANMERKUNGEN: ¹ die Ti-Folie wurde für dieses Beispiel nicht mit BN beschichtet. 2

BN wurde auch auf die Teile der oberen und unteren Kolben gesprüht, die in Kontakt mit den Kristallsegmenten waren.

Heizrate von 2°C/min. ⁴ Kühlrate von 2,2°C/min.

	1 1	bis	13	&PSgr;, ·· · ·	• · >
			*• · · ·**	*«·· · «··**
			-27-
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Beispiele

In diesen Beispielen wurden große YLiF-Kristallsegmente mit kleineren YLiF-Kristallsegmenten verbunden. Die großen Kristallsegmente hatten eine Länge, von 13 cm (5,14 inch) und einen Querschnitt von 1,1 &khgr; 0,69 cm (0,44 &khgr; 0,27 inch). Die kleinen Kristallsegmente hatten eine Länge von 1,5 cm (0,59 inch) und einen Querschnitt von 1,1 &khgr; 0,64 cm (0,44 &khgr; 0,25 inch).
10

In diesen Beispielen wurde ein Metalltrog (nicht gezeigt) dazu verwendet, die zusammengesetzten Kristallsegmente 12 gegeneinanderzuhalten und zum Sauerstoff-Gettern wurde eine Niob-Folie um die Kristallsegmente 12 gewickelt. 15

Zum Reinigen des Trogs, der Niob-Sauerstoff-Getterfolie, der zum Reinigen der Kristallsegmente verwendeten Bechergläser und der Kristallsegmente wurden die folgenden Reinigungsverfahren verwendet. Der Trog wurde durch Einbringen ein eine entfettende Lösung für etwa 15 Minuten und dann durch Wischen des Trogs mit einem mit hochreinem Isopropylalkohol getränkten Tupfer gereinigt. Die Niob-Folie wurde 2 0 Minuten lang in ein Azeton-Ultraschallbad eingebracht und dann für 20 Minuten in ein Ultraschallbad mit hochreinem Isopropylalkohol eingebracht. Die zum Reinigen der Kristalle verwendeten Bechergläser wurden zuerst unter Verwendung einer 15-minütigen Chromsulfat-Ätzung, einer 30-minütigen Spülung mit deionisiertem Wasser in einem Druckmischer, einer 30-minütigen Ultraschall-Waschung mit einem Reinigungsmittel und einer 1-stündigen Spü-0 lung mit deionisiertem Wasser in einem Druckmischer gereinigt. Die polierten Kristallsegmente wurden durch Einbringen der Segmente für etwa 3 0 Minuten in ein sauberes, Azeton enthaltendes Becherglas und dann durch Einbringen der Segmente für 30 Minuten in ein hochreinen Isopropylalkohol enthaltendes Becherglas mit Ultraschall gereinigt. Nach dem Spülen wurden die Segmente mit einem flusenfreien, in hochreinem Methanol getränkten Tupfer abgetupft.

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Nach dem Reinigen wurde ein BN-Trennmittelspray auf den Trog und auf die Teile der Spannvorrichtung 70 von Figur 7 gesprüht, die in Kontakt mit den Kristallsegmenten kommen sollten. Die polierten Flächen der Kristallsegmente 12 wurden in Kontakt gebracht und die Kristalle wurden in der Lehre 74 der Spannvorrichtung 70 untergebracht. Der Trog wurde um die Kristallsegmente 12 herum angebracht und die Niob-Folie wurde um den Trog gewickelt, um als ein Sauerstoff-Getterschild zu dienen. Die Kompressionsschraube 80 der Spannvorrichtung 70 wurde justiert, bis die Feder auf eine von etwa 0,51 bis 0,84 cm (0,20 bis 0,33 inch) reichende Höhe zusammengedrückt war, um eine geschätzte Kraft von etwa 9 kg (20 pounds) auf die Kristallsegmente 12 auszuüben.

Die Spannvorrichtung 70 mit den darin befindlichen Kristal lsegmenten 12 wurde in der heißen Zone eines atmosphärischen Ofens 73a zentriert und der Ofen wurde unter Verwendung eines Flusses von N2 bei einem Druck von etwa 280 kPa (40 psi) von Luft gereinigt. Dann wurde der Ofen unter Verwendung des in Tabelle II gezeigten Temperaturzyklus aufgeheizt, um die Kristallsegmente miteinander zu verschmelzen. Während des Verschmelzungsprozesses wurde der Fluß von Stickstoff im Ofen bei 100 cm³ bei Normalbedingungen (100 sccm) und bei einem Druck

25 von 280 kPa (40 psi) gehalten.

Obwohl die vorliegende Erfindung hinsichtlich ihrer bevorzugten Versionen in beträchtlicher Ausführlichkeit beschrieben wurde, sind andere Versionen möglich. Der Multiformkristall kann zum Beispiel Halbleiterkristallsegmente oder optoelektronische Kriscallsegmente beinhalten. Deshalb sollten die beigefügten Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hierin enthaltenen bevorzugten Versionen beschränkt sein.

-29-

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TABELLE II

BEI SPIEL	ANEINANDER GEBUNDENE YLiF-KRISTALLSEGMENTE	groß	ANFANGS TEMPERATUR	VERSCHMELZUNGS TEMPERATUR	(H)	VERFÄRBUNGS OXIDATION	NICHT BINDUNG	ERGEBNIS
NR.	klein	groß	("C)	CC)	14	keine
11	<lein	groß	25	725	14	keine	nein	gute Bindung
12	<lein	25	725	14	<eine	nein	gute Bindung
13	25	725	iein	etwas Bruch und Splitter

Claims

1. Für Laseranwendungen geeigneter Multiform-

kristall (10), der wenigstens zwei miteinander verschmolzene Einkristallsegmente (12) mit einer Verbindung (14) dazwischen umfaßt, wobei die Verbindung (14) für sich durch den Kristall (10) ausbreitendes Licht im wesentlichen optisch transparent ist.
10

2. Der Multiformkristall von Anspruch 1, in welchem die Kristallsegmente (12) wenigstens drei Einkristallsegmente (12a, 12b) und (12c) umfassen.

3. Der Multiformkristall von Anspruch 1, in welchem die Einkristallsegmente (12) wenigstens ein Laserkristallsegement und wenigstens ein Nicht-Laserkristallsegment umfassen.

4. Der Multiformkristall von Anspruch 3, in welchem das Laser-Einkristallsegment mit Neodym dotiertes Yttrium-Aluminiumoxid umfaßt.

5. Der Multiformkristall von Anspruch 3, in welchem das Nicht-Laser-Einkristallsegment Yttrium-Aluminiumoxid

umfaßt.

6. Der Multiformkristall von Anspruch 3, in welchem das Laser-Einkristallsegment Yttrium-Lithiumfluorid um-

30 faßt.

7. Der Multiformkristall von Anspruch 3, in welchem das Laser-Einkristallsegment Kaliumtitanylphosphat umfaßt.

8. Der Multiformkrista.il von Anspruch 3, in welchem das Laser-Einkristallsegment Galliumarsenid umfaßt.

• · 4

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9. Der Multiformkristall von Anspruch 3, in welchem das Laser-Einkristallsegment Indiumphosphid umfaßt.

10. Der Multiformkristall von Anspruch 3, in welchem das Laser-Einkristallsegment Zinksulfid umfaßt.

11. Der Multiformkristall von Anspruch 3, in welchem das Laser-Einkristallsegment Zinkselenid umfaßt.

12. Der Multiformkristall von Anspruch 1, in welchem die Verbindung (14) zwischen den Einkristallsegmenten (12) transversal zum Weg von sich durch den Kristall (10) ausbreitendem Licht ist und worin der Intensitätsverlust des sich durch die Verbindung (14) ausbreitenden Lichts weniger als et-

15 wa 25% beträgt.

13. Der Multiformkristall von Anspruch 12, in welchem der Intensitätsverlust des sich durch die Verbindung ausbreitenden Lichts weniger als etwa 5% beträgt.

14. Der Multiformkristall von Anspruch 13, in welchem der Intensitätsverlust des sich durch die Verbindung ausbreitenden Lichts weniger als etwa 1% beträgt.

25

15. Laser, der folgendes umfaßt:

(a) ein Gehäuse (16) mit einem darin befindlichen Licht resonierenden Hohlraum (18);

(b) einen im Licht resonierenden Hohlraum (18) angebrachten Multiformkristall (10), wobei der Multiformkristall für Laseranwendungen geeignet ist und wenigstens zwei zusammengeschmolzene Einkristallsegmente (12) mit einer Verbindung (14) dazwischen umfaßt und die Verbindung zwischen den Kristallsegmenten für sich durch den Kristall ausbreitendes Licht im wesentlichen optisch transparent ist; und

(C) eine Laserpumpe (20), die zum Bereitstellen von Licht zum Pumpen des Multiformkristalls (10) geeignet ist.

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,

16. Der Laser von Anspruch 15, in welchem die Kristallsegmente wenigstens ein Laser-Kristallsegment und wenigstens ein Nicht-Laser-Kristallsegment umfassen. 5

17. Der Laser von Anspruch (16), der desweiteren Klemmen (22) im Gehäuse (16) zum Halten des Multiformkristalls (10) durch Greifen des Nicht-Laser-Kristallsegments umfaßt.

18. Der Laser von Anspruch 16, in welchem das Laser-Einkristallsegment ein aus der aus Yttrium-Aluminiumoxid, Yttrium-Aluminiumoxid, Yttrium-Lithiumfluorid, Kaliumtitanylphosphat, Galliumarsenid, Indiumphosphid, Zinksulfid und Zinkselenid bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfaßt.

19. Der Laser von Anspruch 15, in welchem die Verbindung zwischen den Einkristallsegmenten transversal zum Weg von sich durch den Kristall ausbreitendem Licht ist und in welchem der Intensitätsverlust des sich durch die Verbindung

20 ausbreitenden Lichts weniger als etwa 25% beträgt.

20. Der Laser von Anspruch 19, in welchem der Intensitätsverlust des sich durch die Verbindung ausbreitenden Lichts weniger als etwa 5% beträgt.

21. Der Laser von Anspruch 20, in welchem der Intensitätsverlust des sich durch die Verbindung ausbreitenden Lichts weniger als etwa 1% beträgt.

0

22. Vorrichtung zum Verbinden von Kristallsegmenten

(12), die folgendes umfaßt:

(a) eine Lehre (72) zum Zusammenhalten zweier Kristallsegmente (12) in einer Heizvorrichtung in einem Verhältnis, bei dem sich ihre Flächen gegenüberstehen, wobei die Lehre (72) einen Träger (74) und ein Kompressionselement (76) umfaßt, das eine Kompressionskraft liefert, welche die Kristallsegmente (12) zusammen gegen den Träger (74) preßt, in welcher

• · &igr;··

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* sich das Koiiipressionselement (76) in der Heizvorrichtung thermisch ausdehnt;

(b) eine Steuerung zum verstellbaren Steuern der Stärke, mit der das Kompressionselement (76) die Kristallseg-

5 mente (12) zusammenpreßt; und

(c) einen Kompensierer zum automatischen Kompensieren der thermischen Ausdehnung des Kompressionselements (76).

23. Die Vorrichtung von Anspruch 22, in welcher der Kompensierer im wesentlichen vollkommen verhindert, daß die thermische Ausdehnung des Kompressionselements die Kompressionskraft auf die Kristallsegmente erhöht.

24. Die Vorrichtung von Anspruch 22, in welcher der Kompensierer ein am Träger (74) befestigtes Spannelement (84) umfaßt, wobei das Spannelement durch die Heizvorrichtung aufgeheizt wird und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der in etwa gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kompressionselements (76) ist, so daß die thermische Ausdehnung des Spannelements den Träger (74) um etwa dieselbe Entfernung bewegt, um welche die thermische Ausdehnung des Kompressionselements die Kristallsegmente bewegt.

25. Die Vorrichtung von Anspruch 22, in welcher die Steuerung (78) eine auf das Kompressionselement (76) drückende Feder umfaßt.

26. Die Vorrichtung von Anspruch 22, die desweiteren einen zwischen der Heizvorrichtung und der Steuerung angebrachten isolierenden Reflektor (8 6, 88) umfaßt, wobei der Reflektor (86) ein wärmeisolierendes Material umfaßt, das fähig ist, Hitze von der Steuerung wegzureflektieren.