DE69800323T2

DE69800323T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Körpers aus einkristallinem Verbundoxid

Info

Publication number: DE69800323T2
Application number: DE69800323T
Authority: DE
Inventors: Tsuguo Fukuda; Minoru Imaeda; Tatsuo Kawaguchi; Kiyoshi Shimamura
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: JP3759807B2; US6074477A; EP0864671A1; EP0864671B1; DE69800323D1; JPH10251098A

Description

Hintergrund der Erfindung

(1) Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Oxid-Einkristall-Verbundkörpers, der einen Kernabschnitt und einen Hüllenabschnitt in Form einer Faser oder Platte umfasst.

(2) Stand der Technik

Vor kurzem ist erkannt worden, dass Einkristallfasern aus nicht-linearen optischen Materialien aktive Elemente auf den Gebieten der eine zweite Harmonische erzeugenden Elemente und der Lichtleitfaser-Laserelemente sind. Als Verfahren zum Züchten eines Oxid-Einkristalls ist ein sogenanntes u-Abziehverfahren zur Herstellung von Einkristallfasern bekannt geworden. "Densoken News " Nr. 522, S. 4-8, Juli 1993, sowie die offengelegten japanischen Patentanmeldungen Nr. 4-280891 und Nr. 6-345.588 beschreiben, dass Einkristallfasern, die etwa aus Kaliumlithiumniobat (K3Li2-2XNb5+XO15+X, in der Folge als KLN bezeichnet) oder dergleichen bestehen, nach diesem Verfahren gezüchtet wurden. Es wird gezeigt, dass die durch das u-Abziehverfahren gezüchteten Oxid-Einkristall-Fasern hohe Strukturfestigkeit und geringe Restspannungen aufweisen (Jap. J. Appl. Phys. 33, 3510 (1994)).
Es ist die Entwicklung eines Verfahrens vonnöten, um einen Hüllenabschnitt um eine Einkristallfaser mit hoher Laserlicht-Umwandlungseffizienz zu bilden. Beispielsweise wird berichtet, dass eine Hüllenschicht um eine Nd-YAG-Laserfaser ausgebildet wird, indem sie mit Glas beschichtet wird, und dass eine Hüllenschicht mit relativ hohem Brechungsindex durch Diffusion, Ionenaustausch oder Ioneneindiffusionsimplantation um eine Oberfläche einer Lithiumniobat-Faser ausgebildet wird.
Weiters sind einige Versuche durchgeführt worden, um das Konzentrationsprofil in einem Einkristall beim Ziehen des Einkristalls aus einer Schmelze zu steuern. Beispielsweise ist ein Verfahren unter erneutem Schmelzen eines Einkristalls bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein CO&sub2;-Laserstrahl eingesetzt, um eine Faser aus einem Rubin- Einkristall nach einem Schmelzzonenverfahren zu ziehen. Bei diesem Verfahren wird der Gehalt an Chrom in der Oberflächenschicht der Faser um das 100fache verringert, indem eine Oberflächenschicht der Faser mit dem CO&sub2;-Laser geschmolzen und diese Oberflächenschicht der Faser erneut gezüchtet wird. Allerdings wird trotz dieser Behandlung angenommen, dass es kaum möglich ist, das Faserwachstum mit dem erneuten Schmelzen der Oberflächenschicht der Faser in einem Verfahren zu kombinieren.
Darüber hinaus ist ein Verfahren verfügbar, um einen Einkristall-Verbundkörper aus zwei verschiedenen zugeführten Arten dotierter Schmelzen zu züchten. Beispielsweise wird ein Film aus LiNbO&sub3; durch eine Kapillar-Flüssigphasen-Epitaxietechnik auf einem Substrat aus LiTaO&sub3; gezüchtet (J. Crystal Growth 5, 291-298 (1980)). Die Schmelzen diffundieren jedoch über weite Strecken ineinander, und der Übergangsbereich ist einige oder mehrere mm breit. Demgemäß ist es auf diese Weise unmöglich, eine abrupte Änderung des Brechungsindex herbeizuführen, um das Licht zu begrenzen.
In J. Crystal Growth 142(3/4), 400-402 (1994), wird gelehrt, dass Oxid-Einkristall-Verbundkörper in Form eines umhüllten Kerns durch Ausziehen aus einer Doppeldüse gezüchtet werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Oxid-Einkristall-Verbundkörpers bereitzustellen, der aus einem Kernabschnitt aus einem Oxid-Einkristall und einem Hüllenabschnitt aus einem anderen Oxid-Einkristall besteht, der eine andere Zusammensetzung aufweist als der Oxid-Einkristall, der den Kernabschnitt bildet, und einstückig auf eine Oberfläche des Kernabschnitts auflaminiert ist.
Im Speziellen stellt die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt ein Verfahren bereit, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Weiters stellt die vorliegende Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt eine Vorrichtung bereit, wie in Anspruch 12 dargelegt. In Bezug auf den Abziehmechanismus ist der Inhalt der EP-A-0.737.884, der US-A-5.690.734 und der EP-A-0.763.610 durch Verweis in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
Die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes haben das u-Abziehverfahren untersucht und bestätigt, dass ein Impfkristall mit der ersten Schmelze und der zweiten Schmelze gleichzeitig in Kontakt gebracht wird und der Kernabschnitt und der Hüllenabschnitt einstückig verbunden und gezogen werden, indem die erste Schmelze über eine Ausziehöffnung des ersten Schmelztiegels abgezogen wird, die zweite Schmelze über eine Ausziehöffnung des zweiten Schmelztiegels abgezogen wird, so dass der abgezogene Teil der zweiten Schmelze mit dem abgezogenen Teil der ersten Schmelze in Kontakt kommt, und weiters die erste und die zweite Schmelze abgezogen werden. Die Erfinder haben die vorliegende Erfindung auf Basis dieser Feststellung gemacht.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klarer werden, wobei es sich versteht, dass Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung gewisse Modifikationen, Variationen und Änderungen daran vornehmen können.

Kurze Beschreibung der beiliegenden Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, von denen:
Fig. 1 eine Schnittansicht ist, die eine Ausführungsform einer Schmelztiegelstruktur einer Vorrichtung zur Herstellung eines Oxid-Einkristall-Verbundkörpers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
Fig. 2(a) eine Schnittansicht eines Oxid-Einkristall-Verbundkörpers 8 in einer Schnittebene in Längsrichtung ist, Fig. 2(b) eine Schnittansicht des Oxid-Einkristall-Verbundkörpers 8 aus Fig. 2(a) in einer Schnittebene in Breitenrichtung ist, Fig. 2(c) eine Schnittansicht eines weiteren Oxid-Einkristall-Verbundkörpers 12 in Form einer flachen Platte in einer Schnittebene in Längsrichtung ist und Fig. 2(d) eine Schnittansicht eines weiteren flachen Oxid-Einkristall-Verbundkörpers 12A in einer Schnittebene in Längsrichtung ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht ist, die schematisch die gesamte Struktur einer Vorrichtung zur Herstellung eines weiteren Oxid-Einkristall-Verbundkörpers zeigt, die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 4 eine Schnittansicht ist, die schematisch eine weitere Schmelztiegelstruktur der Vorrichtung zur Herstellung des Oxid-Einkristall-Verbundkörpers zur Durchführung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 5 eine Schnittansicht ist, die schematisch die Struktur einer weiteren Vorrichtung zur Herstellung eines Oxid-Einkristall-Verbundkörpers zur Durchführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 eine Schnittansicht ist, die schematisch die Struktur einer weiteren Vorrichtung zur Herstellung eines Oxid-Einkristall-Verbundkörpers zur Durchführung der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 7 ein Mn-Verteilungsdiagramm ist, das Ergebnisse des Mn-Gehalts, gemessen in Segmenten eines gemäß vorliegender Erfindung erhaltenen Oxid-Einkristall-Verbundkörpers mit Hilfe eines Elektronensonden-Mikroanalyzers, zeigt.

Detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung

Spezieller auf die vorliegende Erfindung Bezug nehmend wird beispielsweise ein Schmelztiegel zum Schmelzen eines Materials im u-Abziehverfahren in seiner Konstruktion so abgeändert, dass er eine doppelwandige Struktur aufweist, die aus einem inneren Schmelztiegelabschnitt und einem äußeren Schmelztiegelabschnitt besteht, worin Material für den Kernabschnitt in den inneren Schmelztiegelabschnitt gefüllt wird und das für den Hüllenabschnitt in den äußeren Schmelztiegelabschnitt gefüllt wird, ein Impfkristall mit den Schmelzen im inneren und im äußeren Schmelztiegelabschnitt in Kontakt gebracht wird und der Impfkristall herabgezogen wird.
Dabei können der Oxid-Einkristall-Verbundkörper, bei dem der Kernabschnitt und der Hüllenabschnitt einstückig miteinander verbunden sind und der die gewünschten Abmessungen und Zusammensetzungen (Brechungsindices) aufweist, gleichmäßig gezüchtet werden, indem die Abmessungen der jeweiligen Schmelztiegel, die Positionen von Düsenabschnitten der jeweiligen Schmelztiegel, die Art der Erhitzung jedes Schmelztiegels usw. je nach der Kombination der Zusammensetzungen der Materialien für den Kernabschnitt und den Hüllenabschnitt, ihren jeweiligen Schmelzpunkten und den Abmessungen des Kernabschnitts bzw. des Hüllenabschnitts entsprechend gewählt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Schmelztiegel mit einem Düsenabschnitt versehen, der die obige Ausziehöffnung aufweist, so dass sich der Düsenabschnitt durch die Abziehöffnung des zweiten Schmelztiegels hindurch nach unten erstreckt. Die Menge des Rohmaterials innerhalb des ersten Schmelztiegels ist auf eine solche angemessene Höhe reguliert, dass die Schwerkraft an der Spitze des Düsenabschnitts der Oberflächenspannung der Schmelze im oberen Teil des ersten Schmelztiegels entspricht. Andererseits wird die Menge des Rohmaterials innerhalb des zweiten Schmelztiegels so auf eine angemessene Höhe reguliert, dass die Schwerkraft am Spalt zwischen dem Düsenabschnitt und der inneren Umfangswand der Ausziehöffnung des zweiten Schmelztiegels der Oberflächenspannung der Schmelze im oberen Teil des zweiten Schmelztiegels entspricht.
Durch eine derartige Konstruktion wird, nachdem das erste und das zweite Material in den jeweiligen Schmelztiegeln geschmolzen worden sind, der Kapillardüsenabschnitt mit der Schmelze für den Kernabschnitt gefüllt, die Schmelze für den Hüllenabschnitt wird aufgrund von Kapillarwirkung vorläufig innerhalb einer Öffnung gehalten, die zwischen dem Düsenabschnitt und der Abziehöffnung des zweiten Schmelztiegels definiert ist, und die äußere Umfangsfläche des Düsenabschnitts wird mit der Schmelze für den Hüllenabschnitt benetzt.
Als Ergebnis fungiert der Düsenabschnitt als eine Art Doppeldüse. Das heißt, die Schmelze für den Hüllenabschnitt wird aufgrund von Kapillarwirkung durch die Ausziehöffnung nach unten abgegeben, während die Schmelze für den Hüllenabschnitt aufgrund von Kapillarwirkung durch den Spalt abgegeben wird, der zwischen dem Düsenabschnitt und der Ausziehöffnung des zweiten Schmelztiegels definiert ist, und die Einkristalle gleichzeitig aus den jeweiligen abgezogenen Schmelzen gezüchtet werden.
Gemäß vorliegender Erfindung wird, um einen Oxid-Einkristall-Verbundkörper herzustellen, bei dem der Kernabschnitt, in der Querschnittsebene vertikal zur Abziehrichtung des Einkristallkörpers gesehen, von einem Hüllenabschnitt umgeben ist, die zweite Schmelze auf solche Weise durch die zweite Ausziehöffnung abgezogen, dass die abgezogene zweite Schmelze den Teil der durch die Ausziehöffnung des ersten Schmelztiegels abgezogenen ersten Schmelze umgeben kann. Vorzugsweise ist der Kernabschnitt in Faserform vom Hüllenabschnitt umgeben.
Weiters wird, um einen Oxid-Einkristall-Verbundkörper herzustellen, bei dem der Kernabschnitt die Form einer flachen Platte aufweist und der Hüllenabschnitt auf zumindest einer Hauptebene des Kernabschnitts ausgebildet ist, die zweite abgezogene Schmelze mit der ersten abgezogenen Schmelze in Kontakt gebracht, indem die zweite Schmelze durch die zweite Ausziehöffnung an zumindest einer Seite der ersten Schmelze abgezogen wird, die durch die erste Ausziehöffnung des ersten Schmelztiegels abgezogen wird.
Wenn der Kernabschnitt in Faserform vorliegt, könnte der Kernabschnitt mit einem Durchmesser von 0,1 bis 2 mm gezüchtet werden, während der Hüllenabschnitt mit einer Dicke von 0,01 bis 0,5 mm gezüchtet werden kann. Wenn der Kernabschnitt in Form einer flachen Platte vorliegt, kann der Kernabschnitt mit einer Dicke von 0,1 bis 2 mm gezüchtet werden, während der Hüllenabschnitt mit einer Dicke von 0,01 bis 0,5 mm gezüchtet werden kann.
Der faserförmige Oxid-Einkristall-Verbundkörper, der aus dem Kernabschnitt und dem Hüllenabschnitt besteht, kann als Festkörperlaserelement verwendet werden, wobei ein Seltenerdelement, wie z. B. Neodym, verwendet wird. Der aus dem Kernabschnitt und dem Hüllenabschnitt bestehende Flachplatten-Oxid-Einkristall-Verbundkörper kann als plattenförmiges Festkörperlaserelement verwendet werden. Beispielsweise wird zur Herstellung eines Nd-YAG-Laserelements ein Einkristallmaterial mit einem Durchmesser von einigen wenigen bis mehreren mm und einer Länge von etwa 100 mm in Kombination mit einem Halbleiterlaser verwendet.
Andererseits wird bei der Miniaturisierung von Laseroszillationselementen gewünscht, dass der Einkristall-Verbundkörper so konstruiert ist, dass er einen Durchmesser von 100 bis 1.000 um aufweist, und in diesem Einkristall-Verbundkörper ein Kernabschnitt und ein Hüllenabschnitt vorgesehen sind, so dass Laseroszillation bewirkt werden kann, während das Licht auf den Kernabschnitt beschränkt bleibt. Wenn ein solcher Einkristall-Verbundkörper erhalten wird, kann ein Laserstrahl mit hoher Effizienz erzeugt werden, indem ein Halbleiter-Laserstrahl im Kernabschnitt des Einkristallkörpers in Form eines Mikrochips gebunden oder in diesen eingestrahlt wird. Im Fall der flachen Einkristall-Verbundplatte beträgt die Dicke des Einkristall-Verbundkörpers wünschenswerterweise 100 bis 1.000 um.
Gemäß vorliegender Erfindung können die meisten Oxid-Einkristall-Verbundkörper gezüchtet werden. Beispielsweise können Einkristall-Verbundkörper für lasererzeugende Elemente, wie z. B. Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Einkristalle in fester Lösung, Kaliumlithiumniobat, Kaliumniobat, Yttriumaluminiumgranat und Yttriumvanadat gezüchtet werden. Weiters können Einkristall-Verbundkörper für Spannungssensoren, wie z. B. Lithiumniobat und Lithiumtantalat, gezüchtet werden.
Beim Oxid-Einkristall-Verbundkörper für das Festkörperlaserelement kann der den Kernabschnitt bildende Oxid-Einkristall mit einer Substanz zur Erzeugung des Laserstrahls dotiert sein. Als derartige Substanz zur Dotierung wird ein Seltenerdelement, wie z. B. Neodym, Erbium oder Praseodym, oder ein anderes Element, wie z. B. Titan oder Chrom, bevorzugt.
Diese Metallelemente werden bei herkömmlichen Laser-Einkristallen, die durch das Aufziehverfahren oder dergleichen hergestellt werden; als Dotiermaterial eingesetzt. Allerdings können die Oxid-Einkristalle nach dem u-Abziehverfahren unabhängig von den Segregationskoeffizienten der Oxid-Einkristalle in hohen Konzentrationen mit diesen Metallelementen dotiert werden. Dadurch kann der Laser-Einkristall-Verbundkörper mit hoher Umwandlungseffizienz gezüchtet werden.
Obiges wird nun detaillierter erklärt. Wenn beispielsweise LiNbO&sub3; mit Neodym dotiert werden soll, kann Neodym in einen gezüchteten Einkristall nur in einem Anteil aufgenommen werden, der geringer als jener von Neodym in der Zusammensetzung der Mischschmelze ist, weil sein Segregationskoeffizient s ≠ 1 ist. Wenn beispielsweise etwa 1,0 Mol Neodym in der Schmelze enthalten ist, wird der Einkristall nur mit etwa 0,3 Mol Neodym dotiert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jedoch der Kernabschnitt mit der gleichen Zusammensetzung wie die Schmelze ohne Segregation hergestellt werden, indem die Schmelze innerhalb der Düse rasch abgekühlt wird. Dies kann auch auf andere Laser-Einkristalle angewandt werden, wie z. B. YAG, das teilweise durch Nd, Er und/oder Yb ersetzt ist, und YVO&sub3;, das teilweise durch Nd, Er und/oder Yb ersetzt ist.
Weiters kann gemäß vorliegender Erfindung ein Metallelement, das den Brechungsindex des Oxid-Einkristalls des Hüllenabschnitts senkt, in den Hüllenabschnitt aufgenom men werden. Als derartiges Metallelement können beispielsweise Magnesium, Zink und Nickel genannt werden.
Anders als beim Czochralski-Verfahren und dem Flüssigphasen-Epitaxieverfahren kann auch im obigen Fall der Hüllenabschnitt mit einer Zielzusammensetzung oder nahe einer Zielzusammensetzung unabhängig vom Oxid-Einkristall gezüchtet werden.
Insbesondere, wenn das Züchtungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt wird, ist es möglich, dass die Änderung der Zusammensetzung im Grenzflächenabschnitt zwischen dem Kernabschnitt und dem Hüllenabschnitt ausgeprägter wird und so eine ausreichende Differenz im Brechungsindex zwischen dem Kernabschnitt und dem Hüllenabschnitt gewährleistet werden kann, dass das Licht mit hoher Effizienz auf den Kernabschnitt beschränkt bleibt. Der Grund dafür ist folgender: da ein starker Temperaturgradient in der Nähe des Wachstumspunkts des Einkristalls gewährleistet werden kann, indem gleichzeitig der Kernabschnitt und der Hüllenabschnitt nach dem u-Abziehverfahren gezüchtet werden, verfestigt sich der Oxid-Einkristall aus der ersten bzw. der zweiten Schmelze, bevor zugesetzte Metalle in die jeweils anderen Schmelzen diffundieren.
Beispielsweise ist gemäß JP-A-8.339002 eine optische Wellenleiterschicht aus Kaliumlithiumniobat (KLN) auf einem Substrat auszubilden, das aus Tantal-substituiertem Kaliumlithiumniobat (KLNT) besteht, wobei erstere in einer Dicke von etwa 10 um nach dem Flüssigphasen-Epitaxieverfahren auf letzterer ausgebildet wird, die nach dem u-Abziehverfahren hergestellt wurde.
Der Einsatz des Züchtungsverfahrens gemäß vorliegender Erfindung hat den Vorteil, dass die Struktur, die das Substrat und die optische Wellenleiterschicht aus dem Epitaxiefilm umfasst, nach dem u-Abziehverfahren gleichzeitig erhalten werden können. Neben diesem Vorteil besteht der folgende deutliche Vorteil: Nach dem obigen herkömmlichen Verfahren variierte der Brechungsindex zwischen dem Substrat und der optischen Wellenleiterschicht stufenweise. Im Gegensatz dazu wird nach dem Züchtungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung der Spielraum bei der Bildung der optischen Wellenleiterschicht erweitert, da eine Grenzschicht mit einer Dicke von etwa 0,1 bis 2,0 um gebildet werden kann, und die Eigenschaften des Einkristall-Verbundkörpers, wie z. B. die Weite des Aufnahmewinkels, werden verbessert. Dadurch ermöglicht die vorliegende Erfindung die Herstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen mit höherer Effizienz.
Weiters wird angenommen, dass die Differenz und Änderung des Brechungsindex zwischen dem Kernabschnitt und dem Hüllenabschnitt beliebig gesteuert werden kann, indem die Struktur und Dimension sowohl des ersten als auch des zweiten Schmelztiegels und die Positionsbeziehung zwischen den Schmelztiegeln auf verschiedene Arten geändert werden.
Die obigen Ausführungen stellen eine Erklärung in Bezug auf den Fall dar, wo die vorliegende Erfindung hauptsächlich auf das Gebiet der optischen Materialien angewandt wird, es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch auf die Herstellung von Produkten anderer technischer Gebiete angewandt werden kann.
Beispielsweise offenbarte NGK in der JP-A-8 58774 einen optischen Spannungssensor, der einen Kernabschnitt und einen Hüllenabschnitt umfasst und dazu ausgebildet ist, die Spannung zwischen gegenüberliegenden Enden eines faserförmigen Einkristallkörpers zu messen, indem die gesamte Spannung eines Isolierkörpers, wie z. B. eines länglichen Isolators, auf den gesamten faserförmigen Einkristall angelegt wird.
Bei diesem Sensor können die Temperatur- und die piezoelektrischen Eigenschaften verbessert werden, indem die Zusammensetzung sowohl des Kernabschnitts als auch des Hüllenabschnitts verändert wird. Vorzugsweise besteht der Kernabschnitt aus einem leicht zu züchtenden Kristall, und sein Umfangsabschnitt wird mit einer Substanz dotiert, so dass die Temperatur- und die piezoelektrischen Eigenschaften des leicht zu züchtenden Kristalls verbessert werden können. Es wird angenommen, dass der Kristall, der zuvor nach einem Gasphasenverfahren, wie z. B. dem MOCVD-Verfahren, oder einem Flüssigphasenverfahren hergestellt worden ist, nach dem obige Verfahren leicht und reproduzierbar gezüchtet werden kann.
Was supraleitende Einkristall-Verbundkörper betrifft, wird angenommen, dass die Supraleitfähigkeit des Einkristallkörpers verbessert werden kann, indem ein Hüllenabschnitt mit einer Zusammensetzung, die sich von jener des zentralen Kernabschnitts unterscheidet, gleichzeitig mit dem Wachstum des Kernabschnitts epitaxial gezüchtet wird.
Bei Anwendung des obigen piezoelektrischen Elements und der supraleitenden Elemente, die sich von den optischen Anwendungen unterscheiden, ist das Licht nicht auf den Kernabschnitt beschränkt. Daher muss nicht der gesamte Kernabschnitt mit dem Hüllenabschnitt bedeckt werden. Wenn beispielsweise der Kernabschnitt die Form einer Flachplatte aufweist, kann ein Hüllenabschnitt auf einer Hauptebene dieses flachen Kerns ausgebildet werden.

(Ausführungsformen)

Nachstehend werden spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt. Die Fig. 1 und 4 sind jeweils schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung der ganzen Schmelztiegel zum Ziehen von Oxid-Einkristallen. Die Fig. 2(a) bis 2(d) sind Schnittansichten, welche die Strukturen von Oxid-Einkristall-Verbundkörpern veranschaulichen, und Fig. 3 ist eine schematische Gesamtansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines Oxid- Einkristall-Verbundkörpers.
Ein erster Schmelztiegel 1 und ein zweiter Schmelztiegel 5 sind innerhalb eines Ofenkörpers angeordnet. Ein obere Ofenabschnitt 16 ist so angeordnet, dass er einen oberen Raum 15 der Schmelztiegel umgibt, und eine Heizeinrichtung 17 ist im oberen Ofenabschnitt 16 eingebettet. Ein unterer Ofenabschnitt 18 ist so angeordnet, dass er einen un teren Raum der Schmelztiegel umgibt, und eine Heizeinrichtung 19 ist im unteren Ofen 18 eingebettet. Jeder der Schmelztiegel 1, 5 besteht aus einem korrosionsbeständigen leitenden Material. Die Konfiguration des Erhitzungsofens selbst kann auf verschiedene Arten geändert werden. Beispielsweise kann die Heizzone, obwohl sie bei der Ausführungsform aus Fig. 3 in die beiden Zonen unterteilt ist, auch in drei oder mehr Zonen unterteilt sein.
In Fig. 1 erstreckt sich ein Aufnahmerohr 3 innerhalb des ersten Schmelztiegels 1 nach oben, eine Aufnahmeöffnung 3a ist an einem oberen Ende von Aufnahmerohr 3 vorgesehen, so dass sich die Aufnahmeöffnung 3a etwas oberhalb des Bodenabschnitts von Schmelztiegel 1 befindet. Alternativ dazu kann eine solche Aufnahmeöffnung 3a am unteren Abschnitt des Schmelztiegels 1 ausgebildet sein. In diesem Fall wird das Aufnahmerohr 3 weggelassen.
Der zweite Schmelztiegel 5 ist unterhalb des ersten 1 angeordnet. Ein Düsenabschnitt 7 erstreckt sich von einer Aufnahmeöffnung 25 nach unten, die am Bodenabschnitt des zweiten Schmelztiegels 5 vorgesehen ist. Ein Düsenabschnitt 4 verläuft durch den Bodenabschnitt von Schmelztiegel 1 hindurch zum Aufnahmerohr 3 und verläuft unterhalb des Schmelztiegels 1 nach unten. Der Düsenabschnitt 4 verläuft durch die Aufnahmeöffnung 25 des zweiten Schmelztiegels 5 und einen Innenraum 7b des Düsenabschnitts 7 und ragt durch eine Abziehöffnung 7a des Düsenabschnitts 7 nach unten.
In Fig. 3 sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform regelbare Stromquellen unabhängig voneinander an den ersten Schmelztiegel 1, den Düsenabschnitt 4, den zweiten Schmelztiegel 5 bzw. den Düsenabschnitt 7 angeschlossen, wobei diese regelbaren Stromquellen voneinander getrennt sind, um es zu ermöglichen, dass sie unabhängig voneinander geregelt werden können. Durch Regulierung der Spannungen der regelbaren Stromquellen werden die Temperaturen des ersten Schmelztiegels 1, des Düsenabschnitts 4, des zweiten Schmelztiegels 5 und des Düsenabschnitts 7 unabhängig voneinander gesteuert. Eine Nachheizeinrichtung 11 kann im Raum 20 vorgesehen sein.
Gemäß vorliegender Ausführungsform wird die Temperaturverteilung jedes der Räume 15, 20 entsprechend festgelegt, indem vom oberen Ofen 16, vom unteren Ofen 18 und von der Nachheizeinrichtung 11 Wärme erzeugt wird. Ausgangsmaterialien für die erste und die zweite Schmelze 2 und 6 werden in ihre jeweilige Schmelztiegel 1 und 5 gefüllt und erhitzt, indem den Schmelztiegeln und den Düsenabschnitten elektrischer Strom zugeführt wird.
Die erste Schmelze 2 fließt durch ein Durchgangsloch 4b des Düsenabschnitts 4 nach unten und wird durch die Ausziehöffnung 4a nach unten abgezogen. In diesem Stadium ragt die Schmelze 2 leicht durch die Ausziehöffnung 4a des Düsenabschnitts 4 nach außen und wird durch ihre Oberflächenspannung dort gehalten, wodurch eine relativ flache Unterfläche gebildet wird. Gleichzeitig damit fließt die zweite Schmelze 6 durch einen Spalt zwischen der äußeren Umfangsfläche 4c des Düsenabschnitts 4 und der inneren Umfangsfläche des Düsenabschnitts 7 nach unten und haftet entlang der äußeren Umfangsfläche 4c des Düsenabschnitts 4 an, wie durch 6A angegeben. Ein nicht dargestellter Impfkristall wird mit dem unteren Endabschnitt dieser Schmelzen in Kontakt gebracht und durch (nicht dargestellte) Walzen bewegt, wie durch einen Pfeil A angegeben.
Als Ergebnis wird die zweite Schmelze 6 durch die Ausziehöffnung 4a des Düsenabschnitts 4 abgezogen und bindet sich an die äußere Umfangsfläche der ersten Schmelze, wodurch ein Einkristall-Verbundkörper erzeugt wird.
Wie in den Fig. 2(a) und 2(b) gezeigt, umfasst der Einkristall-Verbundkörper 8 einen Kernabschnitt 9 und einen Hüllenabschnitt 10. Der Kernabschnitt 9 kann in Form einer Faser oder einer flachen Platte vorliegen.
Die in den Fig. 2(c) und 2(d) gezeigten flachen Oxid-Einkristall-Verbundkörper 12 und 12A können mit der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung hergestellt werden. Der Einkristall körper 12 umfasst einen flachen Kernabschnitt 13 und einen Hüllenabschnitt 14, der auf einer der Hauptebenen des Kernabschnitts 13 ausgebildet ist. Für diesen Zweck ist es notwendig, die Ausziehöffnungen des ersten und des zweiten Schmelztiegels aneinander angrenzend anzuordnen, um daraufhin den Hüllenabschnitt auf einer der Hauptebenen des Kernabschnitts 13 auszubilden.
Der Einkristall-Verbundkörper 12A umfasst einen flachen Kernabschnitt 13A, einen Hüllenabschnitt 14A, der auf einer der Hauptebenen des Kernabschnitts 13A ausgebildet ist, und einen weiteren Hüllenabschnitt 14B, der auf der anderen Hauptebene des Kernabschnitts 13A ausgebildet ist.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Struktur einer weiteren Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung im Bereich von Schmelztiegeln. Ein Düsenabschnitt 4A ist nach unten in einer Aufnahmeöffnung 1a an einem Bodenabschnitt des ersten Schmelztiegels 1 A vorgesehen. Ein zweiter Schmelztiegel 5A ist unter dem ersten 1A angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist kein Düsenabschnitt für den zweiten Schmelztiegel 5A vorgesehen, sondern eine Ausziehöffnung 5a ist im Schmelztiegel 5A vorgesehen. Der Düsenabschnitt 4A verläuft durch den Schmelztiegel 5A und die Ausziehöffnung 5a hindurch und ragt durch die Ausziehöffnung 5a hindurch nach unten.
Die erste Schmelze 2 fließt durch ein Durchgangsloch 4b des Düsenabschnitts 4 nach unten und wird durch die Ausziehöffnung 4a nach unten abgezogen. Gleichzeitig damit fließt die zweite Schmelze 6 durch einen Spalt zwischen der inneren Umfangsfläche der Ausziehöffnung 6a und der äußeren Umfangsfläche des Düsenabschnitts 4A nach unten und haftet entlang der äußeren Umfangsfläche 4c des Düsenabschnitts 4 an, wie durch 6B angegeben. Ein nicht dargestellter Impfkristall wird mit dem unteren Endabschnitt dieser Schmelzen in Kontakt gebracht und durch (nicht dargestellte) Walzen abwärts bewegt.
Die Fig. 5 und 6 sind jeweils Schnittansichten zur Veranschaulichung der Strukturen von Schmelztiegeln gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 5 ist ein abwärts gerichteter Düsenabschnitt 4B an einer Aufnahmeöffnung 1a eines Bodenabschnitts eines ersten Schmelztiegels 1B vorgesehen. Ein zweiter Schmelztiegel 5B ist unter dem ersten Schmelztiegel 1B vorgesehen. Der zweite Schmelztiegel 5B ist nicht mit Düsenabschnitt versehen, und statt dessen ist ein Schmelzereservoir 24 in einem Bodenabschnitt des zweiten Schmelztiegels vorgesehen. Eine Ausziehöffnung 5a ist an einem unteren Endabschnitt des Reservoirs 24 ausgebildet. Der Düsenabschnitt 4B verläuft durch den Schmelztiegel 5B, das Schmelzereservoir 24 und die Ausziehöffnung 5a hindurch und ragt durch die Ausziehöffnung 5a nach unten.
Die erste Schmelze 2 fließt durch ein Durchgangsloch 4b des Düsenabschnitts 4B abwärts und wird durch eine Ausziehöffnung 4a davon nach unten abgezogen. Die zweite Schmelze 6 fließt durch einen Spalt zwischen der inneren Umfangsfläche der Ausziehöffnung 5a und der äußeren Umfangsfläche 4c des Düsenabschnitts 4B abwärts und haftet entlang der äußeren Umfangsfläche 3c des Düsenabschnitts 4B unter dem Schmelzereservoir 24 an. Ein nicht dargestellter Impfkristall wird mit dem unteren Endabschnitt dieser Schmelzen in Kontakt gebracht und wird abwärts bewegt, wodurch ein Oxid-Einkristall-Verbundkörper 8 erzeugt wird.
In Fig. 6 ist ein Düsenabschnitt 4C nach unten gerichtet in einer Aufnahmeöffnung 1a eines Bodenabschnitts eines ersten Schmelztiegels 1C vorgesehen, und ein zweiter Schmelztiegel 5C ist unter dem ersten 1C angeordnet. Der zweite Schmelztiegel 5C ist weder mit Düsenabschnitt noch mit Schmelzereservoir versehen. Der Düsenabschnitt 4C verläuft durch den Schmelztiegel 5C und eine Ausziehöffnung 5a davon hindurch und ragt durch die Ausziehöffnung nach unten.
Die erste Schmelze 2 fließt durch ein Durchgangloch 4b des Düsenabschnitts 4C abwärts und wird nach unten durch die Ausziehöffnung 4a ausgezogen. Gleichzeitig da mit fließt die zweite Schmelze 6 durch einen Spalt zwischen der inneren Umfangsfläche der Ausziehöffnung 5a und die äußere Umfangsfläche 4c des Düsenabschnitts 4C abwärts und haftet entlang der Bodenfläche des Schmelztiegels 5C und der äußeren Umfangsfläche 4c des Düsenabschnitts 4C an, wie durch 6D angegeben.
Mehrere Reihen von Nuten 21 sind an der äußeren Umfangsfläche 4c von Düsenabschnitt 4C in Längsrichtung der Düse 4C ausgebildet, wobei schlanke Vorsprünge 22 zwischen benachbarten Nuten 21 ausgebildet sind. Beispielsweise können solche Nuten 21 ausgebildet werden, indem eine Düsen-Vorform mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet wird, wie durch eine strichpunktierte Linie gezeigt, und dann ein Oberflächenabschnitt der Düsen-Vorform mit einem Element aus einem Material mit hoher Härte, wie z. B. einer Saphirnadel, abgeschliffen oder abgekratzt wird.
Unter Verwendung des Düsenabschnitts mit einer solchen äußeren Umfangskontur kann ein Oxid-Einkristall-Verbundkörper gemäß vorliegender Erfindung reproduzierbar hergestellt werden.
In der Folge werden Versuchsergebnisse näher beschrieben.

(Beispiel 1)

Einkristall-Verbundkörper wurden im praktischen Versuch hergestellt, indem die Züchtungsvorrichtung mit der Gesamtstruktur wie in Fig. 3 gezeigt mit der in Fig. 4 gezeigten Schmelztiegelstruktur verwendet wurde.
Im Speziellen wurden 2 g eines formulierten Pulvers mit einer Zusammensetzung aus Neodymoxid, Lithiumcarbonat und Nioboxid in einem Molverhältnis von 3 : 47 : 50 in einen ersten Schmelztiegel 1a aus Platin, wie in Fig. 4 gezeigt, gefüllt. Der Außendurchmesser und der Innendurchmesser des Düsenabschnitts betrugen 0,8 mm bzw. 0,3 mm.
In einen Platinschmelztiegel 5A, wie in Fig. 4 gezeigt, wurden 0,3 g eines formulierten Pulvers mit einer Zusammensetzung aus Magnesiumcarbonat, Lithiumcarbonat und Nioboxid in einem Molverhältnis von 3 : 47 : 50 gefüllt. Der Durchmesser des Bodens des Schmelztiegels 5A betrug 1,0 mm, und der Spalt zwischen der äußeren Umfangsfläche des Düsenabschnitts 4A und dem Innendurchmesser der Ausziehöffnung des unteren Schmelztiegels 5A wurde auf 0,1 mm eingestellt.
Diese Schmelztiegel wurden im Einkristall-Züchtungsofen angeordnet, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Temperatur des Raums im oberen Ofenabschnitt wurde auf 1.250ºC bis 1.350ºC eingestellt, wodurch die Pulver in den Schmelztiegeln 1A und 5A schmolzen. Die Temperatur des Raums im unteren Ofenabschnitt wurde auf 500ºC bis 1.200ºC eingestellt. Weiters wurde Strom durch jeden der Düsenabschnitte der Schmelztiegel und der Nachheizeinrichtung 11 geleitet, wodurch ein Oxid-Einkristall-Verbundkörper gezüchtet wurden, bei dem die Wachtumspunkte und die Temperaturgradienten des Einkristalls optimiert waren.
Als Ergebnis wurde erfolgreich ein hervorragender faserförmiger Einkristall-Verbundkörper gezüchtet, der aus einem Kernabschnitt und einem Hüllenabschnitt bestand, indem die Temperatur und die Temperaturgradienten der Wachstumspunkte des Einkristalls auf 1.200ºC bis 1.300ºC bzw. 10-50ºC/mm eingestellt wurden. Der Durchmesser des Kernabschnitts betrug 600 um, und die Hüllenschicht war gleichmäßig in einer Dicke von etwa 50 um um den äußeren Umfang des Kernabschnitts ausgebildet. Der Durchmesser und die Länge des gesamten Einkristall-Verbundkörpers betrugen 0,7 mm bzw. 15 mm. Die Dotierungsmenge von Neodym im Kernabschnitt betrug 3%.
Unter Verwendung dieses Einkristall-Verbundkörpers wurde ein Laseroszillationsversuch mit einem Halbleiterlaser durchgeführt. Als Ergebnis wurde ein Dioden-gepumpter Festkörperlaser mit einem Output erhalten, der dem eines herkömmlichen Einkristallstabs nahezu entsprach (Dotierungsmenge von Nd: 1%, Durchmesser: 3 mm, Länge: 50 mm).

(Beispiel 2)

Es wurde die Wachstumsvorrichtung mit der Gesamtstruktur aus Fig. 3 zusammen mit dem Schmelztiegel mit der Struktur aus Fig. 4 verwendet, und ein Oxid-Einkristall-Verbundkörper wurde im praktischen Versuch hergestellt.
Im Speziellen wurden etwa 20 g eines formulierten Pulvers mit einer Zusammensetzung von Neodymoxid, Yttriumcarbonat und Aluminiumoxid in einem Molverhältnis von 3 34,5 : 62,5 in den ersten Schmelztiegel 1a aus Iridium gefüllt, wie in Fig. 4 gezeigt. Der Außendurchmesser und der Innendurchmesser des Düsenabschnitts 4A betrugen 0,8 mm bzw. 50 mm.
In einen Iridium-Schmelztiegel 5A, wie in Fig. 4 gezeigt, wurden etwa 3 g eines formulierten Pulvers mit einer Zusammensetzung aus Yttriumoxid und Aluminiumoxid in einem Molverhältnis von 37,5 : 62,5 hergestellt. Der Durchmesser des Bodens von Schmelztiegel 5A betrug 1,0 mm, und der Spalt zwischen der äußeren Umfangsfläche von Düsenabschnitt A4 und dem Innendurchmesser der Ausziehöffnung des unteren Schmelztiegels 5A wurde auf 0,1 mm eingestellt.
Diese Schmelztiegel wurden im Einkristall-Züchtungsofen angeordnet, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Sauerstoffkonzentration an Wachstumspunkten eines Einkristalls und in ihrer Nähe wurde auf etwa 0,1% eingestellt, indem die Atmosphäre reguliert wurde. Die Temperatur des Raums im oberen Ofenabschnitt wurde auf 1.600ºC bis 1.700ºC eingestellt. wodurch die Pulver in den Schmelztiegeln 1A und 5A schmolzen. Die Temperatur des Raums im unteren Ofenabschnitt wurde auf 700ºC bis 1.500ºC eingestellt. Weiters wurde Strom durch jeden der Düsenabschnitte der Schmelztiegel und die Nachheizeinrichtung 11 geleitet, wodurch ein Oxid-Einkristall-Verbundkörper gezüchtet wurde, bei dem die Wachstumspunkte und Temperaturgradienten optimiert waren.
Als Ergebnis wurde erfolgreich ein hervorragender flacher Einkristall-Verbundkörper, der aus einem Kernabschnitt und einem Hüllenabschnitt bestand, gezüchtet, indem die Temperatur und die Temperaturgradienten der Wachstumspunkte des Einkristalls bei 1.550ºC bis 1.650ºC bzw. 10 bis 50ºC/min eingestellt wurden. Die Dicke des Kernabschnitts betrug 600 um, und die Hüllenschicht war auf beiden Hauptebenenoberflächen des Kernabschnitts gleichmäßig in einer Dicke von etwa 50 um ausgebildet. Die Dicke, Breite und Länge des ganzen Einkristallkörpers betrug 0,7 mm, 3 mm bzw. 30 mm. Die Dotierungsmenge von Neodym im Kernabschnitt betrug 3%.
Unter Verwendung dieses Einkristall-Verbundkörpers wurde ein Laseroszillationsversuch mit einem Halbleiterlaser durchgeführt. Als Ergebnis wurde ein Dioden-gepumpter Festkörperlaser erhalten, dessen Output nahezu jenem einer herkömmlichen Einkristall-Platte entsprach (Dotierungsmenge von Nd: 1%, Dicke 3 mm, Breite 50 mm und Länge 50 mm).

(Beispiel 3)

Es wurde die Züchtungsvorrichtung mit der Gesamtstruktur aus Fig. 3 verwendet, wobei der Schmelztiegel die Struktur der Fig. 6(a) und 6(b) aufwies, und es wurde ein Versuch zum Züchten eines Oxid-Einkristall-Verbundkörpers aus Lithiumniobiat, dotiert mit Mangan, durchgeführt.
Im Speziellen wurde ein erster Platin-Schmelztiegel 1C so konstruiert, dass er die Abmessungen 8 mm · 2 mm · 1,5 mm aufwies (was 70 bis 80 mg Ausgangsmaterial entsprach). Der Außen- und der Innendurchmesser von Düsenabschnitt 4C betrug 0,5 mm bzw. 0,4 mm. Nuten 21 wurden mit einer Saphirnadel an der äußeren Umfangsfläche des Düsenabschnitts 4C ausgebildet.
Die Richtungen des Impfkristalls und des Düsenabschnitts wurden mit einem Mikro-X-Y- Gestell eingestellt, und der Faser-Züchtungsvorgang wurde unter Verwendung eines optischen Mikroskops beobachtet. Lithiumniobat-Kristalle mit einer stöchiometrischen Zusammensetzung entsprechend dem Czochraski-Verfahren wurden in den ersten Schmelztiegel 1C gefüllt. In einen zweiten Schmelztiegel 5C wurden Lithiumriiobat-Fa sern gefüllt, die 2 Mol-% Mangan enthielten und nach dem herkömmlichen g-Abziehverfahren erhalten worden waren.
Diese Schmelztiegel wurden im Einkristall-Züchtungsofen angeordnet, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Temperatur des Raums im oberen Ofenabschnitt wurde auf 1.200ºC bis 1.300ºC eingestellt, wodurch die Pulver in den Schmelztiegeln 1A und 5A schmolzen. Die Temperatur des Raums im unteren Ofenabschnitt wurde auf 500ºC bis 1.200ºC eingestellt. Weiters wurde Strom durch jeden der Düsenabschnitte der Schmelztiegel und die Nachheizeinrichtung 11 aus Platindraht geleitet, wodurch ein Oxid-Einkristall- Verbundkörper erhalten wurde, bei dem die Wachstumspunkte und die Temperaturgradienten des Einkristalls optimiert waren.
Als Ergebnis wurde erfolgreich ein hervorragender faserförmiger Einkristall-Verbundkörper entlang der C-Achse in Luft gezogen, indem die Temperatur und die Temperaturgradienten der Wachstumspunkte des Einkristalls auf 1.200ºC bis 1.300ºC bzw. 10 bis 50 ºC/mm eingestellt wurde. Die Abziehgeschwindigkeit wurde auf 12 bis 70 mm/h eingestellt.
Der so erhaltene Einkristall-Verbundkörper hatte einen Außendurchmesser von 0,4 mm und eine Länge von 50 mm. In einem Mikrophoto des gezüchteten Einkristall-Verbundkörpers wurden typische faserförmige Konfiguration und Färbung beobachtet.
Der so erhaltene Einkristall-Verbundkörper wurde in eine Plastikhalterung eingebracht und in einer Richtung vertikal zur Wachstumsrichtung geschnitten, wodurch ein Einkristallsegment erhalten wurde. Die Verteilung von Mangan in diesem Einkristall-Segment wurde durch einen Elektronensonden-Mikroanalyzer beobachtet. Die Ergebnisse werden in Fig. 7 gezeigt.
Wie aus Fig. 7 zu entnehmen ist, ist beinahe kein Manganelement im zentralen Teil des. Einkristallsegments zu erkennen (wobei das Segment durch diametrales Schneiden der Faser erhalten wurde); hier liegt der Kernabschnitt mit einem niedrigeren Mangangehalt vor. Andererseits ist Mangan an gegenüberliegenden Seitenabschnitten des Einkristallsegments in einer Menge von etwa 0,7 bis 2,2 Atom-% enthalten. Das zeigt deutlich die Produktion des mit Mangan dotierten Hüllenabschnitts. Die Änderung des Mangangehalts am Grenzflächenabschnitt zwischen dem Kernabschnitt und dem Hüllenabschnitt ist ausgeprägt. Das zeigt, dass Vermischung beim Schmelzen und die Diffusion von Mangan zwischen der ersten Schmelze und der zweiten Schmelze extrem unterdrückt sind.

(Beispiel 4)

Etwa 20 g eines formulierten Pulvers mit einer Zusammensetzung aus Kaliumcarbonat, Lithiumcarbonat, Nioboxid und Tantaloxid in einem Molverhältnis von 30 : 20 : 42 : 8 wurde in einen ersten Schmelztiegel 1A aus Platin gefüllt, wie in Fig. 4 gezeigt. Der Düsenabschnitt war planar, und der Außendurchmesser und der Innendurchmesser von Düsenabschnitt 4A betrugen 0,8 mm bzw. 30 mm.
In eine Seite eines Platin-Schmelztiegels 5A, wie in Fig. 4 gezeigt, wurden etwa 2 g eines formulierten Pulvers mit einer Zusammensetzung aus Kaliumcarbonat, Lithiumcarbonat und Nioboxid in einem Molverhältnis von 30 : 20 : 50 gefüllt. Die Breite des Bodens des Schmelztiegels 5A betrug 0,85 mm, und der Spalt zwischen der äußeren Umfangsfläche von Düsenabschnitt 4A und dem Innendurchmesser der Ausziehöffnung des unteren Schmelztiegels 5A wurde auf 0,025 mm eingestellt.
Diese Schmelztiegel wurden im Einkristall-Züchtungsofen angeordnet, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Temperatur des Raums im oberen Ofenabschnitt wurde auf 1.100ºC bis 1.200ºC eingestellt, wodurch die Pulver in den Schmelztiegeln 1 A und 5A schmolzen. Die Temperatur des Raums im unteren Ofenabschnitt wurde auf 500ºC bis 1.000ºC eingestellt. Weiters wurde jeweils Strom durch den Düsenabschnitt des Schmelztiegels und die Nachheizeinrichtung 11 geleitet, wodurch ein Oxid-Einkristall-Verbundkörper erhalten wurde, bei dem die Wachstumspunkte und die Temperaturgradienten des Einkristalls optimiert waren.
Als Ergebnis wurde erfolgreich ein hervorragender planarer Einkristall-Verbundkörper hergestellt, der aus einem Kernabschnitt und einem Hüllenabschnitt bestand, indem die Temperatur und die Temperaturgradienten der Wachstumspunkte des Einkristalls auf 1.050ºC bis 1.100ºC bzw. 10 bis 50ºC/mm eingestellt wurden. Die Dicke des Kernabschnitts betrug 600 um, und die Hüllenschicht war gleichmäßig auf einer Hauptebenenoberfläche des Kernabschnitts in einer Dicke von etwa 10 um ausgebildet. Der Grenzflächenabschnitt zwischen dem Kernabschnitt und dem Hüllenabschnitt betrug etwa 1 um, und die Änderung der Zusammensetzung war dort stark ausgeprägt. Der Hüllenabschnitt wurde bis auf eine Dicke von 5 um abpoliert. Da der Brechungsindex des Hüllenabschnitts optisch höher als jener des Kernabschnitts ist, handelt es sich um eine optische Wellenleiterschicht.
Ein an beiden Endflächen polierter flacher kristalliner Körper mit den Abmessungen 5 mm · 5 mm · 0,5 mm wurde aus dem ebenen Einkristall-Verbundkörper mit den Abmessungen 30 mm · 30 mm · 0,6 mm hergestellt und einem Versuch als ein eine zweite Harmonische erzeugendes Element als Beispiel gemäß vorliegender Erfindung unterzogen. Ein Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von 850 nm war auf die optische Wellenleiterschicht eingeschränkt. Die Umwandlungseffizienz der Erzeugung der zweiten Harmonischen wurde gemessen.
Andererseits wurde als Vergleich unter Verwendung des Flüssigphasen-Epitaxieverfahrens ein Film aus Kaliumlithiumniobat in einer Dicke von etwa 10 um auf einem Substrat aus Kaliumlithiumniobat, das mit Tantal substituiert war, ausgebildet, das nach dem u-Abziehverfahren hergestellt worden war. Dieser Film wurde bis zu einer Dicke von 5 um abpoliert, wodurch ein eine zweite Harmonische erzeugendes Element hergestellt wurde. Dieses wurde den gleichen Versuchen zur Erzeugung der zweiten Harmonischen unterzogen wie das erfindungsgemäße Beispiel.
Als Ergebnis erzeugte das eine zweite Harmonische erzeugende Element als erfindungsgemäßes Beispiel den gleichen Output wie im Vergleichs-Element. Weiters zeigte ein Vergleich der Breite des Aufnahmewinkels, dass das Element als erfindungsgemäßes Beispiel eine Breite des Aufnahmewinkels aufwies, die etwa 1,5-mal höher als jene des Vergleichs war. Daher ist das erfindungsgemäße Element vorteilhafter, wenn es in Form einer Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten Harmonischem vom optischen Wellenleitertyp eingesetzt wird.
Wie oben erwähnt, kann die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren zur Herstellung eines einstückig verbundenen Oxid-Einkristall-Verbundkörpers bereitstellen, der aus einem Kernabschnitt aus einem Oxid-Einkristall und einem Hüllenabschnitt aus einem anderen Oxid-Einkristall besteht, der eine andere Zusammensetzung aufweist als der Oxid- Einkristall, der den Kernabschnitt bildet.

Claims

1, Verfahren zur Herstellung eines einstückig verbundenen Einkristalloxid-Verbundkörpers (8, 12, 12A), bestehend aus einem Kernabschnitt (9, 13, 13A) aus einem Oxid- Einkristall und einem Hüllenabschnitt (10, 14, 14A, 14B), der einstückig mit dem Kernabschnitt verbunden ist und aus einem anderen Oxid-Einkristall mit einer Zusammensetzung besteht, die sich von jener des Oxid-Einkristalls, der den Kernabschnitt bildet, unterscheidet, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

(1) das Herstellen einer ersten Schmelze (2) in einem ersten Schmelztiegel (1) durch Schmelzen eines ersten Materials für einen ersten Oxid-Einkristall zur Bildung des Kernabschnitts;

(2) das Herstellen einer zweiten Schmelze (6) in einem zweiten Schmelztiegel (5) durch Schmelzen eines zweiten Materials für einen zweiten Oxid-Einkristall zur Bildung des Hüllenabschnitts,

(3) das In-Kontakt-Bringen eines Keimkristalls mit der ersten und der zweiten Schmelze,

(4) das Abziehen der ersten Schmelze durch eine erste Ausziehöffnung (4a) des ersten Schmelztiegels,

(5) das Abziehen der zweiten Schmelze durch eine Ausziehöffnung (5a, 7a) des zweiten Schmelztiegels und das In-Kontakt-Bringen der abgezogenen zweiten Schmelze mit einem abgezogenen Teil der ersten Schmelze, sowie

(6) das einstückige Abziehen der ersten und der zweiten Schmelze.

2. Verfahren nach Anspruch 1, nach dem ein Einkristalloxid-Verbundkörper (8) hergestellt wird, bei dem der Kernabschnitt (9) bei Betrachtung in einer Querschnittsebene quer zur Abziehrichtung des Einkristallkörpers vom Hüllenabschnitt (10) umgeben ist, und nach dem die zweite Schmelze auf solche Weise durch die zweite Ausziehöffnung (5a, 7a) abgezogen wird, dass die abgezogene zweite Schmelze einen durch die erste Ausziehöffnung des ersten Schmelztiegels abgezogenen Teil der ersten Schmelze umgibt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin der Kernabschnitt (9) in Faserform vorliegt.

4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, mit dem ein Einkristalloxid- Verbundkörper (12, 12A) hergestellt wird, bei dem der Kernabschnitt (13, 13A) die Form einer Flachtafel aufweist und der Hüllenabschnitt (14, 14A, 14B) zumindest auf einer Hauptebene des Kernabschnitts ausgebildet wird, und worin die abgezogene zweite Schmelze mit der abgezogenen ersten Schmelze in Kontakt gebracht wird, indem die zweite Schmelze durch die zweite Ausziehöffnung an zumindest einer Seite der ersten Schmelze abgezogen wird, die durch die erste Ausziehöffnung des ersten Schmelztiegels abgezogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin jeweils eine Hauptkristallphase von erstem und zweitem Oxid-Einkristall, die den Kernabschnitt bzw. den Hüllenabschnitt bilden, eine Verbindung umfasst, die aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Verbund-Einkristall in fester Lösung, Kaliumlithiumniobat, Kaliumniobat, Yttriumaluminiumgranat und Yttriumvanadat ausgewählt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der Einkristalloxid- Verbundkörper ein Festkörperlaserelement ist, wobei der Oxid-Einkristall, der den Kernabschnitt bildet, mit einer Substanz zur Erzeugung eines Laserstrahls dotiert ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin die Dotierungssubstanz zumindest ein Metallelement umfasst, das aus Seltenerdelementen, Titan und Chrom ausgewählt ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, worin in den Hüllenabschnitt ein metallisches Material aufgenommen ist, um den Brechungsindex des Oxid-Einkristalls des Hüllenabschnitts herabzusetzen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin der Verbund-Einkristallkörper ein eine zweite Harmonische erzeugendes Element ist und der Kernabschnitt und der Hüllenabschnitt jeweils eine solche Zusammensetzung aufweisen, dass sich der Brechungsindex des Kernabschnitts von jenem des Hüllenabschnitts unterscheidet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin im Kernabschnitt ein Metallelement enthalten ist, um den Brechungsindex des Oxid-Einkristalls des Kernabschnitts herabzusetzen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin sich die Ausziehöffnung (5A, 7A) des zweiten Schmelztiegels oberhalb der Ausziehöffnung (4A) des ersten Schmelztiegels befindet.

12. Vorrichtung zur Herstellung eines einstückigen Einkristalloxid-Verbundkörpers (8, 12, 1A), der aus einen Kernabschnitt (9, 13, 13A) aus einem Oxid-Einkristall sowie einem Hüllenabschnitt (10, 14, 14A, 14B) besteht, der einstückig mit dem Kernabschnitt verbunden ist und aus einem anderen Oxid-Einkristall besteht, dessen Zusammensetzung sich von jener des Oxid-Einkristalls, der den Kernabschnitt bildet, unterscheidet, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:

(I) einen ersten Schmelztiegel (1) zur Herstellung einer ersten Schmelze (2) durch Schmelzen eines ersten Materials für einen ersten Oxid-Einkristall zur Bildung des Kernabschnitts im ersten Schmelztiegel,

(II) einen zweiten Schmelztiegel (5) zur Herstellung einer zweiten Schmelze (6) durch Schmelzen eines zweiten Materials für einen zweiten Oxid-Einkristall zur Bildung des Hüllenabschnitts im zweiten Schmelztiegel, sowie

(III) einen Abzugsmechanismus zum Abziehen der ersten Schmelze durch eine Ausziehöffnung (4a) des ersten Schmelztiegels, Abziehen der zweiten Schmelze durch eine Ausziehöffnung (7a) des ersten Schmelztiegels und In-Kontakt-Bringen des abgezogenen Teils der zweiten Schmelze mit einem abgezogenen Teil der ersten Schmelze, und das einstückige Abziehen der ersten und der zweiten Schmelze auf solche Weise, dass der Kernabschnitt und der Hüllenabschnitt einstückig verbunden werden können, nachdem ein Keimkristall mit der ersten und der zweiten Schmelze in Kontakt gebracht worden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin der erste Schmelztiegel (1) mit einem Düsenabschnitt (4) versehen ist, der die Ausziehöffnung (4a) des ersten Schmelztiegels aufweist, und sich der Düsenabschnitt abwärts durch die Ausziehöffnung (7a) des zweiten Schmelztiegels (5) hindurch erstreckt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, worin mehrere Rillen (21) in einer Längsrichtung der Düse an der äußeren Umfangsfläche (4c) des Düsenabschnitts des ersten Schmelztiegels ausgebildet sind.