氟化釔鋰激光晶體的生長裝置、生長爐及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光晶體領(lǐng)域，特別涉及一種摻稀土離子的氟化釔鋰激光晶體的生長裝置、生長爐及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氟化釔鋰(LiYF4，簡稱YLF)具有聲子能量低、透光波段寬、熱光系數(shù)為負(fù)值等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)良的激光晶體基質(zhì)材料。通過使三價(jià)態(tài)的稀土離子部分取代氟化釔鋰晶格上的Y3+離子，可以形成摻雜稀土離子的氟化釔鋰(簡稱Re:YLF)激光晶體。舉例來說，Nd3+離子取代部分Y3+離子后，所形成的Nd:YLF晶體是一種性能優(yōu)良的I μπι波段激光晶體，其用量僅次于Nd = YAG和Nd: YV04;Ho 3+離子和Tm 3+離子取代部分Y 3+離子后，所形成的HckYLF晶體和Tm:YLF晶體是非常重要的2 μπι波段激光晶體；Er3+離子取代部分Y 3+離子后，所形成的Er: YLF晶體是重要的3 μ m和1.7 μ m波段激光晶體，在醫(yī)療上有著重要的應(yīng)用。所以，提供一種Re = YLF激光晶體的制備方法十分必要。
[0003]目前通常采用電阻加熱密閉反應(yīng)氣氛提拉法和感應(yīng)加熱流動(dòng)惰性氣氛提拉法來制備Re = YLF激光晶體。其中，電阻加熱密閉反應(yīng)氣氛提拉法通常將高純氟化物(YF3、LiF、ReF3)盛裝于鉑坩禍中，采用石墨作為電阻發(fā)熱體，以多層鉬片、石墨作為保溫材料，得到生長裝置。將該生長裝置安裝于本領(lǐng)域常見的提拉單晶爐爐膛中，在爐膛內(nèi)充入高純氬氣(或氮?dú)?和一定比例的CF4、HF等反應(yīng)性氣體作為保護(hù)氣體。以電阻加熱方式，將氟化物原料熔化為熔體，然后經(jīng)升溫熔料、下籽晶、預(yù)拉漂浮物(氟氧化物和石墨等)、縮徑、放肩、等徑、拉脫降溫、取晶體等過程，生長出Re:YLF晶體。
[0004]而感應(yīng)加熱流動(dòng)惰性氣氛提拉法常將高純氟化物(YF3、LiF、ReF3)盛裝于鉑金坩禍中，采用射頻電磁感應(yīng)加熱方式，在開式單晶爐(能夠通入流動(dòng)氣氛)中生長晶體。保溫材料通常采用ZrO2或者Al 203作為保溫。在流動(dòng)氮?dú)饣蛘邭鍤獗Ｗo(hù)氣氛下，用感應(yīng)加熱的方式，將坩禍內(nèi)的原料熔化為熔體，然后經(jīng)過打撈漂浮物、下籽晶、縮頸、放肩、等徑、拉脫、降溫、取晶體等過程，生長出Re:YLF晶體。
[0005]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:
[0006]電阻加熱反應(yīng)氣氛提拉法生長Re:YLF激光晶體時(shí)，具有溫場穩(wěn)定性差，漂浮物打撈困難，固液界面不穩(wěn)定，所生長的晶體質(zhì)量差等缺陷；而感應(yīng)加熱流動(dòng)惰性氣氛提拉法無法消除氧分子和水分子的影響，會連續(xù)產(chǎn)生氟氧化物等漂浮物，造成晶體質(zhì)量缺陷，甚至破壞晶體生長過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供了一種高質(zhì)量的摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的生長裝置、晶體生長爐及制備方法。具體技術(shù)方案如下:
[0008]第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的生長裝置，包括:坩禍、設(shè)置在所述坩禍外部的保溫筒、設(shè)置在所述保溫筒外部的銅感應(yīng)加熱線圈、以及穿過所述保溫筒的頂部伸入所述坩禍內(nèi)部的籽晶桿，所述保溫筒的頂部中間位置設(shè)置有用于穿過所述籽晶桿的第一圓孔，所述第一圓孔的直徑為60-120_ ;
[0009]所述坩禍為鉑坩禍或者銥金坩禍；
[0010]所述銅感應(yīng)加熱線圈的外表面鍍有鎳層或者噴涂有耐高溫樹脂層。
[0011]具體地，所述耐高溫樹脂層為有機(jī)硅樹脂層、丁腈橡膠層、酚醛樹脂層或聚酰亞胺樹脂層。
[0012]具體地，作為優(yōu)選，所述保溫筒包括頂部、底部以及連接所述頂部和所述底部的側(cè)部；
[0013]所述側(cè)部包括由內(nèi)至外依次連接的第一保溫筒、第二保溫筒、第三保溫筒、第四保溫筒和第五保溫筒；
[0014]所述第一保溫筒、所述第三保溫筒和所述第五保溫筒的材質(zhì)均為熱壓氮化硼陶
[0015]所述第二保溫筒、所述第四保溫筒的材質(zhì)均為石墨氈。
[0016]具體地，所述第一保溫筒、所述第二保溫筒、所述第三保溫筒、所述第四保溫筒和所述第五保溫筒的壁厚均為5-10mm ;
[0017]所述第一保溫筒、所述第三保溫筒和所述第五保溫筒所采用的熱壓氮化硼陶瓷的摻碳量均為O-1Owt %，密度均大于等于1.2g/cm3。
[0018]作為優(yōu)選，所述第一保溫筒和所述第五保溫筒所采用的熱壓氮化硼陶瓷的密度均大于等于1.8g/cm3。
[0019]具體地，所述頂部由2層氮化硼陶瓷圓環(huán)構(gòu)成，所述氮化硼陶瓷圓環(huán)的內(nèi)環(huán)構(gòu)成所述第一圓孔；
[0020]所述底部由至少2層氮化硼陶瓷圓盤構(gòu)成；
[0021]所述氮化硼陶瓷圓環(huán)和所述氮化硼陶瓷圓盤中，所采用的氮化硼陶瓷的摻碳量均為O-1Owt %，密度均大于等于1.2g/cm3。
[0022]具體地，所述坩禍的內(nèi)徑為80-150mm，壁厚為2mm，所述坩禍的高度和所述坩禍的外徑之比為1:1-1.5。
[0023]具體地，所述第一保溫筒的內(nèi)徑比所述坩禍的外徑長6_12mm ;
[0024]所述第一保溫筒的高度為所述坩禍的高度的2.5-3.5倍。
[0025]第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了與上述的生長裝置相配合的晶體生長爐，包括加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、爐膛，所述爐膛由主室和設(shè)置在所述主室上方的副室構(gòu)成；
[0026]所述副室和所述主室之間設(shè)置有一個(gè)可開關(guān)的擋板閥門，通過打開或關(guān)閉所述擋板閥門閥，實(shí)現(xiàn)所述主室與所述副室連通或隔絕；
[0027]所述主室用于放置上述的生長裝置；
[0028]所述副室的頂部中間位置設(shè)置有用于穿過籽晶桿的第二圓孔；
[0029]所述副室的頂部還設(shè)置有用于觀察晶體生長情況的觀察窗口。
[0030]具體地，所述主室和所述副室均設(shè)置有充、放氣閥門和抽真空閥門。
[0031]第三方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的制備方法，利用上述的裝置以及上述的晶體生長爐，通過感應(yīng)加熱密閉惰性保護(hù)氣氛提拉法生長摻稀土離子的氟化釔鋰晶體；
[0032]所述感應(yīng)加熱密閉惰性保護(hù)氣氛提拉法依次包括:升溫熔料、一次下籽晶、預(yù)拉漂浮物、二次下籽晶、放肩、等徑、拉脫降溫、取晶過程；
[0033]在所述一次下籽晶的過程中，通過移動(dòng)擋板閥門，使主室和副室相連通，使籽晶桿進(jìn)入坩禍內(nèi)的熔體內(nèi)1-3_左右，待熔體表面的漂浮物全部粘結(jié)到籽晶周圍的晶體上時(shí)，提拉晶體至所述副室，并關(guān)閉所述擋板閥門，使主室和副室隔絕，然后更換新的籽晶，再次打開所述擋板閥門，使所述主室和所述副室相連通，并進(jìn)行所述二次下籽晶的過程。
[0034]具體地，所述方法包括:
[0035]步驟a、將上述的生長裝置放入上述的晶體生長爐的爐膛底部；
[0036]步驟b、根據(jù)化學(xué)式RexYpxLiF4的化學(xué)計(jì)量比，其中，O彡x < 0.4，Re為Nd、Ho、Tm、Er、Pr中的至少一種，將用于制備摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的原料置于坩禍中，保持主室和副室連通，下移籽晶桿至所述主室內(nèi)，并將用于生長摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的籽晶安裝到籽晶桿上；
[0037]步驟C、關(guān)閉所述晶體生長爐的爐門，清洗爐膛，然后向所述爐膛內(nèi)充入高純氮?dú)饣蛘邭鍤庵了鰻t膛內(nèi)的氣體壓力為0.12-0.14MPa，并向所述爐膛內(nèi)充入0?4氣體；
[0038]步驟d、開啟感應(yīng)加熱電源，以50_100°C/h的升溫速率，升溫至600-800°C，然后以5-200C /h的升溫速率，升溫至所述原料熔化；
[0039]步驟e、待所述原料完全熔化為熔體后，下籽晶，使所述籽晶進(jìn)入所述熔體內(nèi)部的深度為l_3mm，開啟晶轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)速為8-20rpm，浸泡所述籽晶，然后以0.5-3.0mm/h的拉速提拉，同時(shí)以1-10°C /h的降溫速率降溫，使所述籽晶逐漸增大，從而使所述熔體表面的的漂浮物逐漸粘結(jié)到所述籽晶周圍；
[0040]步驟f、待所有的漂浮物粘結(jié)到所述籽晶周圍的晶體上后，停止降溫，快速向上提拉晶體，將粘有所述漂浮物的晶體從熔體表面拉脫，繼續(xù)向上提拉，直至拉入所述副室，并停止晶轉(zhuǎn)；
[0041]步驟g、關(guān)閉擋板閥門，使所述主室和所述副室隔絕，然后對所述副室抽真空，當(dāng)真空度低至1Pa以后，停止抽真空，對所述副室進(jìn)行放氣，至所述副室內(nèi)氣壓與爐膛外部氣壓平衡時(shí)，打開所述副室的爐門，從所述籽晶桿上取下粘有漂浮物的籽晶和晶體，將新的籽晶安裝到所述籽晶桿上，然后關(guān)閉所述副室的爐門；
[0042]步驟h、再次對所述副室抽真空，當(dāng)真空度低至5Pa以后，向所述爐膛內(nèi)充入純度優(yōu)于99.999%的隊(duì)氣，再次清洗所述爐膛，然后向所述爐膛內(nèi)充入高純氮?dú)饣蛘邭鍤庵了鰻t膛內(nèi)氣體壓力為0.12-0.14MPa，并再次向所述爐膛內(nèi)充入0?4氣體；
[0043]步驟1、再次打開所述擋板閥門，使所述主室和所述副室連通，二次下新的籽晶，使所述新的籽晶進(jìn)入熔體內(nèi)部的深度為l_3mm，開啟晶轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)速為4-15rpm，浸泡所述籽晶至少lh，然后以0.4-1.0mm/h的拉速提拉，同時(shí)調(diào)節(jié)加熱功率，進(jìn)行摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的放肩過程，當(dāng)所述摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的直徑達(dá)到預(yù)設(shè)值后，調(diào)節(jié)加熱功率，使所述摻稀土離子的氟化釔鋰晶體等徑生長；
[0044]步驟j、待所述摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的等徑生長過程結(jié)束后，快速將所述摻稀土離子的氟化釔鋰晶體從所述熔體表面拉脫，至所述摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的末端與熔體液面的距離為15-30mm，然后恒溫0.5-2.0h ；
[0045]步驟k、控制降溫速率為5-20 °C /h，進(jìn)行降溫過程，至所述爐膛內(nèi)的溫度降至20-30°C，然后向所述爐膛內(nèi)的氣體放出，打開爐門，取出所述摻稀土離子的氟化釔鋰晶體。
[0046]具體地，所述步驟c和所述步驟h中，所述清洗爐膛的過程具體為:抽真空至爐膛內(nèi)氣壓低于5Pa后，向爐膛內(nèi)充入純度優(yōu)于99.999%的N2氣，當(dāng)爐膛壓力至0.12MPa時(shí)，停止充氣，保壓20-30min后，再次重復(fù)以上步驟2次，從而實(shí)現(xiàn)所述爐膛清洗。
[0047]具體地，在所述下籽晶和所述二次下新的籽晶的過程中，通過設(shè)置在所述副室頂部的觀察窗口進(jìn)行觀察，使籽晶進(jìn)入熔體內(nèi)部的深度為l_3mm，并通過調(diào)節(jié)單晶爐加熱功率，控制所述籽晶的幾何大小不發(fā)生改變。
[0048]本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:
[0049]第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供的摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的生長裝置，通過選用高徑比的鉑坩禍或銥金坩禍，使熔體的徑向溫度梯度較大，溫度調(diào)節(jié)、控制方便，熔體自然對流強(qiáng)，固液界面形狀容易保持穩(wěn)定。通過采用鍍有鎳層或者噴涂有耐高溫樹脂層的銅感應(yīng)加熱線圈，避免銅感應(yīng)加熱線圈被耐氟化物氣體腐蝕，利于提高所制備晶體的質(zhì)量。
[0050]第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了的與上述生長裝置相配合的晶體生長爐，通過設(shè)置主室用來進(jìn)行晶體的生長，且在主室上方設(shè)置副室，并通過可開關(guān)的擋板閥門控制主室與副室之間實(shí)現(xiàn)連通或隔絕。從而能夠在不停止晶體生長過程且不對生長裝置進(jìn)行降溫的前提下，來方便地更換被漂浮物粘結(jié)的籽晶。從而實(shí)現(xiàn)了在保證晶體質(zhì)量不受影響的前提下有效除去晶體生長過程中產(chǎn)生的漂浮物。
[0051]第三方面，本發(fā)明實(shí)施例利用上述生長裝置和晶體生長爐，通過感應(yīng)加熱密閉惰性保護(hù)氣氛提拉法生長摻稀土離子的氟化釔鋰晶體，通過感應(yīng)加熱方式，提高了熔體徑向溫度梯度和自然對流的穩(wěn)定性，通過充入CF4氣體，有效消耗了爐膛內(nèi)部殘留的氧分子和水分子，且在一次下籽晶過程中更換粘結(jié)有漂浮物的籽晶，克服了生長過程中氟氧化物漂浮物的再生，有效提高了所制備晶體的質(zhì)量，并提高了晶體生長工藝的重復(fù)性和穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0052]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0053]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054]圖2是本發(fā)明又一實(shí)施例提供的摻稀土離子的氟化釔鋰晶體的晶體生長爐的爐膛結(jié)構(gòu)示意圖。
[0055]附圖標(biāo)記分別表示:
[0056]I 坩禍；
[0057]2保溫筒；
[0058]21第一保溫筒；
[0059]22第二保溫筒；
[0060]23第三保溫筒；
[0061]24第四保溫筒；
[0062]25第五保溫筒；
[0063]26保溫筒頂部；
[0064]261 第一圓孔；
[0065]27保溫筒底部；
[0066]3籽晶桿；
[0067]4銅感應(yīng)加熱線圈；
[0068]5主室；
[0069]51主室充、放氣閥門；
[0070]52主室抽真空閥門；
[0071]6副室；
[0072]61副室充、放氣閥門；
[0073]62副室抽真空閥門；
[0074]63觀察窗口 ；
[0075]64第二圓孔；
[0076]7擋板閥門。
【具體實(shí)施方式】
[0077]為使本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0078]在對本發(fā)明實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述之前，對理解本發(fā)明重要的術(shù)語進(jìn)行解釋。