專利名稱：一種折射率漸變雙折射晶體生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學器件的生長方法，特別是涉及一種折射率漸變雙折射晶體生長方 法。
背景技術(shù)：
具有折射率漸變性質(zhì)的光學元件在諸如開關(guān)，環(huán)形器，隔離器和波分多路復(fù)用器 的光學裝置和遠程通信中得到廣泛使用，如GRIN透鏡。通常GRIN透鏡的制作方法有離子 交換法、氣相CVD法及溶膠一凝膠法等，這些方法或多或少存在制作工藝復(fù)雜或器件尺寸 小等缺點。提拉法又稱丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J. Czochralski)在1917年發(fā)明的從熔 體中提拉生長高質(zhì)量單晶的方法。提拉法是將構(gòu)成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔 體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體的交界面上不斷進行原子或分子的 重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出單晶體。提拉法是目前應(yīng)用最廣泛的晶體生長方法，這種方法適用于具有同成分熔化的化 合物生長。當其應(yīng)用于二元或多元體系化合物，且各體系間熔點相差較大的晶體生長時， 在生長過程中，晶體和熔體的成分將不斷變化。如YVO4晶體，其為V2O5和IO3組成的二元 體系，V2O5的熔點約為690°C J2O3的熔點約為M00°c，二者相差很大，晶體生長時容易產(chǎn)生 V2O5的揮發(fā)，從而使熔體及YVO4晶體的組分發(fā)生變化，并且采用提拉法生長晶體時可根據(jù) 晶體種類及生長工藝情況容易地改變晶體生長速度。

發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)獲得折射率漸變器件工藝復(fù)雜或器件尺寸小等缺點，本發(fā)明目的在于提 供一種工藝簡單的折射率漸變雙折射晶體生長方法。為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為一種折射率漸變雙折射晶體生長方 法，其特征在于在提拉法生長雙折射晶體時，利用其二元或多元組分在高溫下分解、揮發(fā)速 度不同，或者有意摻雜入熔點、揮發(fā)速度相差較大的化合物，從而形成生長時各組分隨生長 時間進行不斷變化的共熔體。進一步，在這種共熔體生長中或者同時在晶體生長過程中采用提拉速度不斷變化 的方法可生長出軸向組分分布連續(xù)變化，徑向組分分布一致的晶體。采用這種方法生長的 雙折射晶體，其折射率和雙折射差值亦將連續(xù)產(chǎn)生變化，從而可生產(chǎn)出折射率和雙折射率 漸變的雙折射晶體。另外，作為本發(fā)明的一種實施方式，本發(fā)明還可以采用與上述生成共熔體的方法 生成兩種組分存在差異的共熔體，然后將其中一種共熔體生長中或者同時在晶體生長過程 中采用提拉速度不斷變化的方法可生長出軸向組分分布連續(xù)變化，徑向組分分布一致的晶 體，待晶體開始平穩(wěn)生長時，根據(jù)稱重系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)開始補給另一種共熔體，從而可生產(chǎn) 出折射率漸變的雙折射晶體。
釩酸釔(YV04)晶體是一種采用提拉法生長的雙折射晶體，具有大的雙折射值(在 0. 63 1. 30 μ m下，雙折射值Δ η = 0. 2225 0. 20 ),穩(wěn)定的物理、化學性質(zhì)和良好的機 械性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于光通訊中的隔離器、環(huán)形器及光分束器等光無源器件?；谏鲜鏊枷?，本發(fā)明在YVO4晶體中摻入YPO4,以PO43_部分取代VO43_。由于P2O5 的熔點僅為580°c，低于V2O5的熔點(690°C )及^O3的熔點(2400°C )，且P2O5在熔融狀態(tài)更 容易揮發(fā)，從而采用提拉法生長出一種雙折射率及折射率漸變的YPxVhO4晶體，從所生產(chǎn)晶 體的頭部至底部切出10片長度為20mm的雙折射晶體，從上部到下部，其0光與E光分開距 離可以從1. 68nm漸變到2. ^nm。采用本發(fā)明方法制備YPxVhO4晶體包括如下步驟1)將純度為99.9% 99. 995%的原料AO3在600 800°C下烘干去水，將純度為 99% 99. 9%的原料V2O5和P2O5在100°C烘干去水；2)將烘干后的原料按化學反應(yīng)式AO3+ XP2O5 + (I-X)V2O5 = 2YPxV1_x04的比例稱樣、 研磨、混合、壓片，其中P2O5按所需濃度加入；3)將壓片后的原料裝入Φ80 IOOmm清潔的剛玉杯中，放在硅碳棒爐內(nèi)，在800 1000°C下通氧燒結(jié)20 40個小時，形成YPxVhO4多晶塊；4)晶體生長在中頻感應(yīng)提拉爐中進行，采用惰性氣體(如N2、Ar等)保護，將燒結(jié)后的 多晶塊原料放在銥金坩鍋中熔化，熔化溫度約為1850°C左右，高于晶體的熔點。清洗籽晶并 將熔體在此溫度下恒溫30 60分鐘；5)緩慢降溫，測試熔點，以0.5 2毫米/小時的提拉速度，5 20轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn) 速開始晶體生長，縮徑生長、放肩生長及等徑生長，在等徑生長階段，其提拉速度從采用程 序控制，從0. 5毫米/小時 3毫米/小時不斷連續(xù)變化；6)待晶體生長達到所需要尺寸后，將晶體提升脫離液面，并分4 5個階段冷卻至室 溫，降溫速率為10 70°C /小時。本發(fā)明的YPxVhO4折射率漸變雙折射晶體可用提拉法容易地生長出大尺寸，高質(zhì) 量的晶體，生長速度快，有優(yōu)良的光學特性。采用這種方法生長的雙折射晶體，其折射率和 雙折射差值亦將連續(xù)產(chǎn)生變化，從而可生產(chǎn)出折射率和雙折射率漸變的雙折射晶體。本發(fā) 明的晶體可用于制作退偏振器件、消散斑位相片或高數(shù)值孔徑光學透鏡。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
，對本發(fā)明做進一步說明。實施例11)將純度為99. 99%的原料AO3在800°C烘干去水，將純度為99. 9%的原料V2O5和 P2O5在100°C烘干去水；2)稱取烘干去水后的原料338. 7g的t03、21. 3g的P2O5和M5. 5g的V2O5，將原料放 入瑪瑙研缽中充分研磨，混合均勻，用2000kg的靜水壓將其壓成坯料；3)將坯料裝入Φ IOOmm清潔的剛玉杯中，放在硅碳棒爐內(nèi)通氧加熱到1000°C，保溫 24小時進行固相反應(yīng)，形成YPxVhO4多晶塊；4)采用DJL-400單晶爐生長晶體，使用中頻感應(yīng)加熱，用Φ 70mm銥金坩鍋來盛放得 到的多晶塊，生長氣氛為高純氮氣(壓力為0. 04MPa)，以純YVO4為籽晶(熔點1800°C)，C軸生長。將熔體升溫至超過熔點50°C左右，即1850°C左右，并在此溫度保溫約30-60分鐘，清 洗籽晶；5)將熔體溫度降低到熔點附近，并將籽晶伸入到熔體中，以1毫米/小時的提拉速 度，15轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn)速開始晶體生長，縮徑生長、放肩生長，開始等徑生長時，提拉速度 為0. 5毫米/小時，采用程序控制使其以每小時0. 5毫米的速度增加，及至提拉速度為3毫 米/小時，經(jīng)過約25小時晶體生長達到所需要尺寸；6)將晶體提升脫離液面，并分4 5個階段冷卻至室溫，降溫速率為10 70°C/小 時，獲得的YPJhO4晶體為淺黃色、透明晶體。 實施例21)將純度為99.99%的原料AO3在800°C烘干去水，將純度為99. 9 %的原料V2O5和 P2O5在100°C烘干去水；2)稱取烘干去水后的原料:338.7g的Υ203、21· 3g的P2O5和245. 5g的V2O5，將原料放 入瑪瑙研缽中充分研磨，混合均勻，用2000kg的靜水壓將其壓成坯料；3)將坯料裝入ΦIOOmm清潔的剛玉杯中，放在硅碳棒爐內(nèi)加熱到1000°C，保溫M小時 進行固相反應(yīng)，形成YPaiVa9O4多晶塊。采用類似的方法合成YPai5Va85VO4多晶塊；4)采用配有上稱重裝置且可連續(xù)加料的單晶爐生長晶體，使用中頻感應(yīng)加熱，用 Φ 70mm銥金坩鍋來盛放得到的YPaiVa9O4多晶塊，生長氣氛為高純氮氣(壓力為0. 04MPa), 以純YVO4*籽晶，C軸生長。將熔體升溫至超過熔點(1800°C)5(TC左右，S卩1850°C左右， 并在此溫度保溫約30分鐘，清洗籽晶；5)將熔體溫度降低到熔點附近，并將籽晶伸入到熔體中，以2毫米/小時的提拉速度， 15轉(zhuǎn)/分鐘的晶體轉(zhuǎn)速開始晶體生長(縮徑生長、放肩生長)。開始等徑生長時，當晶體開始 平穩(wěn)生長時，根據(jù)稱重系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)開始補給原料ΥΡα 5να85νθ4。經(jīng)過約25小時晶體生 長達到所需要尺寸；6)將晶體提升脫離液面，并分4 5個階段冷卻至室溫，降溫速率為10 70°C/小 時，獲得的YPJhO4晶體為淺黃色、透明晶體。
權(quán)利要求
1.一種折射率漸變雙折射晶體生長方法，其特征在于在可生成化合物晶體的二元或 多元組分原料中加入熔點及揮發(fā)速度與該二元或多元組分原料相差較大的化合物，通過反 應(yīng)、通氧燒結(jié)，形成共熔體，共熔體采用提拉法生長，其特征還在于，晶體生長過程中，等徑 生長速度不斷發(fā)生變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折射率漸變雙折射晶體生長方法，其特征在于，所述的 折射率漸變雙折射晶體為YPxVhO4，所述的共熔體為YPxVhO4多晶塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折射率漸變雙折射晶體生長方法，其特征在于，所述的 二元或多元組分原料為Y2O3和V2O5，所加入的化合物為P205。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種折射率漸變雙折射晶體生長方法，其特征在于，所述的 Y2O3 純度為 99. 9%~ 99. 995%，V2O5 和 P2O5 純度為 99% 99. 9%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種折射率漸變雙折射晶體生長方法，其特征在于，原料 按化學反應(yīng)式Y(jié)2O3 + XP2O5 + (1-x) V2O5 = 2YPxV1^xO4的比例加入。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種折射率漸變雙折射晶體生長方法，其特征在于，通氧 燒結(jié)溫度為800 1000°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述一種折射率漸變雙折射晶體生長方法，所述的提拉法生長 在中頻感應(yīng)提拉爐中。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種折射率漸變雙折射晶體生長方法，其特征在于，所述 的提拉法生長過程中，在等徑生長階段，提拉速度采用程序控制，從0. 5毫米/小時 3毫 米/小時不斷連續(xù)變化。
9.一種折射率漸變雙折射晶體生長方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1所述的生成共 熔體的方法生成兩種成分存在差異的共熔體，其中一種共熔體采用具有上稱重裝置且可連 續(xù)加料提拉生長爐生長，晶體生長過程中，等徑生長速度不斷發(fā)生變化，當晶體開始平穩(wěn)生 長時，根據(jù)稱重系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，加入另一種成分存在差異的共熔體做原料，晶體繼續(xù)生長 為所需尺寸的折射率漸變雙折射晶體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種折射率漸變雙折射晶體生長方法，其特征在于所述的 二元或多元組分原料為Y2O3和V2O5，所加入的化合物為P205。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種折射率漸變雙折射晶體生長方法，其特征在于采用提拉法生長雙折射晶體，利用晶體中二元或多元組分在高溫下分解、揮發(fā)速度不同，形成生長時各組分隨生長時間進行不斷變化的熔體，并在這種熔體中生長出軸向組分分布連續(xù)變化、徑向組分分布一致的晶體。這種折射率漸變雙折射晶體的折射率和雙折射差值連續(xù)產(chǎn)生變化，從而可生產(chǎn)出折射率和雙折射率漸變的雙折射晶體，本發(fā)明方法生長的晶體可用于制作退偏振器件、消散斑位相片或高數(shù)值孔徑光學透鏡。
文檔編號C30B15/20GK102051673SQ20101053871
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者凌吉武, 盧秀愛, 吳勵, 張揚, 陳衛(wèi)民, 陳燕平 申請人:福州高意通訊有限公司