一種lbo晶體的生長裝置以及生長方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種LBO晶體的生長裝置，包括坩堝以及在所述坩堝內(nèi)的底部上設(shè)置的凸部。本發(fā)明還涉及了一種LBO晶體的生長方法，采用所述生長裝置進行LBO晶體的生長。本發(fā)明提供的生長裝置結(jié)構(gòu)簡單、制造簡便、成本較低；本發(fā)明提供的生長裝置和生長方法可以直接生長出大口徑扁平狀LBO單晶體，降低了晶體器件切割難度，顯著提高了晶體的利用率，減少了加工環(huán)節(jié)，縮短了晶體生長周期，降低了制造成本。
【專利說明】—種LBO晶體的生長裝置以及生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及晶體制備領(lǐng)域，具體涉及一種用于生長三硼酸鋰(LB0)晶體的生長裝置以及相應(yīng)的生長方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三硼酸鋰(LiB305，簡稱LB0)單晶體是一種優(yōu)良的非線性光學材料。它具有足夠大的非線性系數(shù)，在室溫下能夠?qū)崿F(xiàn)相位匹配，不潮解、化學性能穩(wěn)定、硬度適中，尤其以其較大的激光損傷閾值和相位匹配容許角、寬的透光范圍見長于其他非線性晶體。目前已普遍應(yīng)用于固體激光變頻領(lǐng)域之中。
[0003]LB0是非同成分熔化的化合物，其生長主要采用高溫溶液頂部籽晶法、頂部籽晶提拉法、坩堝旋轉(zhuǎn)法等。
[0004]隨著大尺寸LB0晶體生長的技術(shù)突破，大尺寸LB0晶體器件作為變頻材料在激光聚變點火、超強超快激光0PCPA等領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，而這些新應(yīng)用要求的LB0晶體器件都有口徑大厚度適中的特征。但目前生長的大尺寸LB0晶體都呈現(xiàn)上表面大的倒錐形，尤其是上表面周圍的厚度都小于5mm，對于厚度為10mm的LB0晶體器件的切割，LB0晶體的利用率很低，如果再考慮到不同的LB0器件要求的切割角度也不一樣，切割時還會于上表面有傾斜角，那么大尺寸LB0晶體到大孔徑LB0器件的利用率就更低，從而導致成本高，難度大等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有 技術(shù)中難以制得大口徑LB0晶體、晶體利用率不高的缺陷，本發(fā)明針對特定方向大口徑LB0晶體器件的需求，對現(xiàn)有的晶體生長裝置進行了改進，目的是提供一種LB0晶體的生長裝置。
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供一種LB0晶體的生長方法。
[0007]本發(fā)明提供的LB0晶體生長裝置，包括坩堝以及在所述坩堝內(nèi)的底部上設(shè)置的凸部。
[0008]優(yōu)選地，所述凸部通過焊接等固定方式固定于所述坩堝內(nèi)的底部之上。
[0009]優(yōu)選地，所述凸部頂端封閉。所述凸部的頂端可以為尖端，也可以為平面，優(yōu)選為平面。
[0010]上述晶體生長裝置的原理為:在常規(guī)坩堝內(nèi)設(shè)置凸部，相當于將坩堝底部適當抬高，抑制、約束晶體在豎直方向的生長；而凸部周圍的空間可以容納更多的晶體生長原料，充足的原料可以使晶體在停止豎直生長后轉(zhuǎn)而進行橫向生長，這樣得到的晶體不會形成常規(guī)的倒錐形，而形成大口徑的扁平狀。
[0011]所述凸部的高度由所要生長的晶體厚度以及坩堝的深度來確定；所述凸部可以為任意形狀，例如，可以為規(guī)則的圓柱體、圓錐體、正方體、長方體等；也可以為圓柱體、圓錐體、正方體、長方體等的不規(guī)則變型結(jié)構(gòu)；還可以為任意組合的結(jié)構(gòu)，如任意形狀的片狀結(jié)構(gòu)通過固定桿固定在坩堝底部形成類似傘狀的凸部等等。所述凸部可以為任意的尺寸，凸部的頂部面積越大，對晶體生長的抑制和約束效果越好，但是，凸部頂部面積過大時，周圍無法容納更多的原料熔體，制造成本也比較昂貴，因此從節(jié)約成本和容納更多原料熔體的因素考慮，凸部的頂部面積不易過大，優(yōu)選地，凸部的頂部面積為坩堝底部面積的1/5~1/2。
[0012]優(yōu)選地，所述凸部為規(guī)則或不規(guī)則的柱狀、或為規(guī)則或不規(guī)則的錐狀。
[0013]優(yōu)選地，所述凸部的橫截面為圓形、橢圓形或任意多邊形。
[0014]優(yōu)選地，所述凸部可以為空心結(jié)構(gòu)或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明提供的LB0晶體的生長方法，為助熔劑生長法，采用以上技術(shù)方案任一項所述的生長裝置進行晶體生長。 [0016]優(yōu)選地，所述生長方法包括以下步驟:
[0017](1)制備用以晶體生長的LB0原料，置于以上技術(shù)方案任一項所述生長裝置中，升溫至所述原料完全熔化得到熔體；
[0018](2)引入籽晶，降溫開始生長晶體；
[0019](3)晶體生長結(jié)束后，將其取出降至室溫即得。
[0020]優(yōu)選地，所述晶體生長原料為Li2C03、H3B03、M003和金屬氟化物MF2 (Μ為Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Zn或Pb)，所述原料采用常規(guī)晶體生長原料的摩爾配比。
[0021]所述籽晶方向可以為任意方向。
[0022]優(yōu)選地，所述步驟(2)為:將步驟(1)所得熔體升溫至飽和點溫度以上1~10°C，引入籽晶至所述熔體的表面或其中，保溫1~20小時后，以0.05~1.50°C /天的速度降溫開始生長晶體。
[0023]所述步驟(2)中，還包括在生長晶體過程中以20~60rpm的速度旋轉(zhuǎn)籽晶。
[0024]所述籽晶的旋轉(zhuǎn)為單向旋轉(zhuǎn)或雙向旋轉(zhuǎn)；所述籽晶的旋轉(zhuǎn)通過籽晶桿旋轉(zhuǎn)帶動。
[0025]所述雙向旋轉(zhuǎn)優(yōu)選按照下述旋轉(zhuǎn)周期旋轉(zhuǎn):在第一方向上依次加速旋轉(zhuǎn)、勻速旋轉(zhuǎn)、減速旋轉(zhuǎn)和停止旋轉(zhuǎn)之后，再在與第一方向相反的第二方向上依次加速旋轉(zhuǎn)、勻速旋轉(zhuǎn)、減速旋轉(zhuǎn)和停止旋轉(zhuǎn)。雙向旋轉(zhuǎn)過程中的加速、減速、方向變換等采用常規(guī)技術(shù)即可，本發(fā)明沒有特別限定。
[0026]本發(fā)明技術(shù)方案具有以下有益效果:
[0027]1)本發(fā)明提供了一種新型的晶體生長裝置，結(jié)構(gòu)簡單，制作簡便，無需太多材料，成本低廉，采用此裝置可以按照一定厚度生長出大口徑的扁平狀LB0晶體。
[0028]2)本發(fā)明提供的生長裝置通過調(diào)整坩堝內(nèi)凸部的頂部面積和高度大小，可根據(jù)需要控制LB0晶體的生長厚度，實現(xiàn)了晶體形狀的可控性，而且還可以明顯降低生長LB0晶體的總重量，有效減少因為過重導致的LB0脫落的風險。
[0029]3)本發(fā)明提供的生長裝置和生長方法可以直接生長出所需的大口徑扁平狀LB0單晶體，可以平行LB0晶體切割出LB0器件，降低了器件切割難度，顯著提高了晶體的利用率，減少了加工環(huán)節(jié)，縮短了晶體生長周期，明顯降低了制造成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明實施例1所述LB0晶體生長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；[0031]圖中:1、坩堝；2、凸部。
【具體實施方式】
[0032]以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0033]實施例1
[0034]如圖1所示，本實施例的晶體生長裝置主體為上端開口、底部封閉的坩堝，在坩堝內(nèi)的底部上設(shè)有一個凸部，所述凸部為頂端封閉的結(jié)構(gòu)，通過焊接等方式固定在坩堝的底部。
[0035]作為可選的技術(shù)方案，所述凸部可以為頂端封閉的任意結(jié)構(gòu)，其頂部可以為封閉的尖端，也可以為任意形狀的平面。
[0036]作為可選的技術(shù)方案，所述凸部可以為任意形狀，如規(guī)則或不規(guī)則的柱狀、錐狀等，其橫截面可以為圓形、橢圓形、方形以及任意多邊形等；所述凸部還可以為任意組合的結(jié)構(gòu)，如任意形狀的片狀結(jié)構(gòu)通過固定桿固定在坩堝底部形成類似傘狀的結(jié)構(gòu)等。
[0037]作為可選的技術(shù)方案，所述凸部可以為實心結(jié)構(gòu)，也可以為空心結(jié)構(gòu)。
[0038]采用本實施例的晶體生長裝置生長LB0晶體時，過程如下:首先制備粉體LB0生長原料，將高純度的原料粉體研磨并混合均勻；再將混合后的原料粉體置于坩堝內(nèi)，加熱至高溫使原料粉體完全熔化形成熔體；然后向所述熔體表面或其中引入籽晶，保溫適當時間后，以特定的降溫速度緩慢降溫，晶體開始生長；晶體在熔體中向下逐漸生長，直至接觸到坩堝底部的凸部頂端，由于凸部頂端對晶體的強制約束作用，晶體停止在豎直方向的生長，同時，由于凸部周圍空間容納了充足的原料熔體，因此晶體在停止豎直方向生長后，開始橫向生長，從而得到大口徑扁平狀的LB0晶體。
[0039]實施例2
[0040]將分析純級別的947.04 克 Li2C03、1584.58 克 Η3Β03、1230.04 克 M003 與 441.72克ZnF2在瑪瑙研磨器中研磨，均勻混合后裝入晶體生長裝置中，生長裝置的外部鉬金坩堝尺寸為φ150χ 130mm，內(nèi)部凸部為一圓柱體(尺寸為(p50x70mm)。將前述生長裝置放入豎直式電阻絲單晶生長爐中，用保溫材料做的蓋子把爐頂開口封上，在蓋子中間對應(yīng)坩堝中心位置留一可供籽晶桿出入的小孔，以80°C /h左右的升溫速率加熱至900°C，用白金片做的攪拌器在該溫度下攪拌12小時，提出攪拌器，緩慢冷卻到660°C。然后下入嘗試籽晶尋到準確的飽和點溫度。接著在飽和點溫度以上2-5°C左右下入正式籽晶到熔體表面，恒溫1小時后，開始緩慢降溫，降至飽和點溫度時晶體開始生長。將籽晶桿進行單向旋轉(zhuǎn)，速率為每分鐘20rpm，降溫速率為每天0.05~0.8°C。經(jīng)過72天晶體生長結(jié)束，把晶體提離熔體表面上20mm處，以每小時10°C左右的速度緩慢降溫到室溫，最后獲得尺寸大小為123X 120X 22mm3 的 LBO 單晶。
[0041]實施例3
[0042]將分析純級別的1415.78 克 Li2C03、1780.13 克 Η3Β03、2763.65 克 Μ003 與 992.45`克ZnF2在瑪瑙研磨器中研磨，均勻混合后裝入晶體生長裝置中，生長裝置的外部坩堝尺寸為φ230χ 170mm，坩堝內(nèi)的凸部為正圓錐體(尺寸為底部直徑90mm，頂部直徑70mm，高為100mm)。將上述生長裝置放入豎直式電阻絲單晶生長爐中，用保溫材料做的蓋子把爐頂開口封上，在蓋子中間對應(yīng)坩堝中心位置留一可供籽晶桿出入的小孔，以60°C /h左右的升溫速率加熱至1000°c，使上述堝料完全熔化后，使用白金片制做的攪拌器在該溫度下攪拌48小時，待堝料充分攪拌均勻后，提出攪拌器，緩慢冷卻到680°C，然后下入嘗試籽晶尋到準確的飽和點溫度，接著在飽和點溫度以上2-5°C左右下入正式籽晶到熔體表面以下約5cm處，恒溫3小時后，開始降溫，降至飽和點溫度時晶體開始生長。將籽晶桿進行單向旋轉(zhuǎn)，速率約為每分鐘35轉(zhuǎn)，降溫速率為0.1~TC /天。經(jīng)過105天晶體生長結(jié)束，把晶體提離熔體表面上20mm處，以每小時10°C的速度緩慢降溫到室溫，最后獲得尺寸大小為170X 160X 15mm3 的 LBO 單晶。
[0043]實施例4
[0044]將分析純級別的797.91 克 Li2C03、1001.32 克 Η3Β03、2331.83 克 Μ003 與 473.42 克BaF2在瑪瑙研磨器中研磨，均勻混合后裝入晶體生長裝置中，生長裝置的外部坩堝尺寸為φ 150x130mm，坩堝內(nèi)部的凸部為倒圓錐體(尺寸為底部直徑40mm，頂部直徑60mm，高為80mm)。將上述生長裝置放入豎直式電阻絲單晶生長爐中，用保溫材料做的蓋子把爐頂開口封上，在蓋子中間對應(yīng)坩堝中心位置留一可供籽晶桿出入的小孔，以30°C /h左右的升溫速率加熱至1050°C，使上述堝料完全熔化后，用白金片做的攪拌器在該溫度下攪拌72小時，待堝料充分攪拌均勻后，提出攪拌器，緩慢冷卻到720°C，然后下入嘗試籽晶尋到準確的飽和點溫度，接著在飽和點溫度以上2-10°C左右下入正式籽晶到熔體表面，恒溫5小時后，降溫，降至飽和點溫度時晶體開始生長。將籽晶桿進行雙向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速率為每分鐘60轉(zhuǎn)，定時轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)方向，降溫速率為每天0.2~1.5°C。經(jīng)過76天晶體生長結(jié)束，把晶體提離熔體上30mm處，以每小時40°C的速度緩慢降溫到室溫，最后獲得尺寸大小為137 X 122 X 18mm3的LBO單晶。 [0045]實施例5
[0046]將分析純級別的2170.35 克 Li2C03、2178.8 克 Η3Β03、5073.86 克 Μ003 與 2060.13克BaF2在瑪瑙研磨器中研磨，均勻混合后裝入晶體生長裝置中，生長裝置的外部坩堝尺寸為(p300x200mm，內(nèi)部凸部為圓桿頂部焊接圓片(尺寸為圓桿直徑10mm，頂部圓片直徑100mm，高為110mm)的組合結(jié)構(gòu)。將上述生長裝置放入豎直式電阻絲單晶生長爐中，用保溫材料做的蓋子把爐頂開口封上，在蓋子中間對應(yīng)坩堝中心位置留一可供籽晶桿出入的小孔，以30°C /h左右的升溫速率加熱至950°C，使上述堝料完全熔化后，用白金片做的攪拌器在該溫度下攪拌72小時，待堝料充分均勻后，提出攪拌器，緩慢冷卻到751°C左右，然后下入嘗試籽晶尋到準確的飽和點溫度。恒溫20小時后，接著在飽和點以上2-5°C左右下入正式籽晶到熔體表面，恒溫2小時后，開始降溫，降至飽和點溫度時晶體開始生長。將籽晶桿進行單向旋轉(zhuǎn)，速率約為每分鐘40轉(zhuǎn)，降溫速率為每天0.05~0.6°C。經(jīng)過136天晶體生長結(jié)束，把晶體提離熔體表面上10mm處，以每小時15°C的速度緩慢降溫到室溫，最后獲得尺寸大小約為233X 196X 17mm3的LB0單晶。
[0047]實施例6
[0048]將分析純級別的886.56 克 Li2C03、1112.58 克 Η3Β03、1727.28 克 Μ003 與 882.72 克PbF2在瑪瑙研磨器中研磨，均勻混合后裝入晶體生長裝置中，生長裝置的外部坩堝尺寸為φ230χ170ηπη，?甘堝內(nèi)的凸部為正方體結(jié)構(gòu)(尺寸90mm X 90mm X 90mm)。將上述生長裝置放入豎直式電阻絲單晶生長爐中，用保溫材料做的蓋子把爐頂開口封上，在蓋子中間對應(yīng)坩堝中心位置留一可供籽晶桿出入的小孔，以80°C /h左右的升溫速率加熱至1020°C，使上述堝料完全熔化后，用白金片做的攪拌器在該溫度下攪拌12小時，待堝料充分均勻后，提出攪拌器，緩慢冷卻到690°C，然后下入嘗試籽晶尋到準確的飽和點溫度。恒溫10小時后，接著在飽和點以上2-5°C左右下入正式籽晶到熔體表面，恒溫6小時后，開始降溫，降至飽和點溫度時晶體開始生長。將籽晶桿進行單向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速率約為每分鐘20轉(zhuǎn)，降溫速率為每天0.1~1.5°C。經(jīng)過68天晶體生長結(jié)束，把晶體提離熔體上25mm處，以每小時30°C的速度緩慢降溫到室溫，最后獲得尺寸大小約為134X 118X 11mm3的LBO單晶。
[0049]雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實施方案對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)`上所做的這些修改或改進，均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種LBO晶體的生長裝置，其特征在于，包括坩堝以及在所述坩堝內(nèi)的底部上設(shè)置的凸部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長裝置，其特征在于，所述凸部頂端封閉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生長裝置，其特征在于，所述凸部為規(guī)則或不規(guī)則的柱狀、或為規(guī)則或不規(guī)則的錐狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生長裝置，其特征在于，所述凸部的橫截面為圓形、橢圓形或任意多邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的生長裝置，其特征在于，所述凸部為空心結(jié)構(gòu)或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)。
6.一種LB0晶體的生長方法，為助熔劑生長法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-5任一項所述的生長裝置進行晶體生長。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的生長方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)制備用以晶體生長的LB0原料，置于權(quán)利要求1-5任一項所述生長裝置中，升溫至所述原料完全熔化得到熔體；(2)引入籽晶，降溫開始生長晶體；(3)晶體生長結(jié)束后，將其取出降至室溫即得。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生長方法，其特征在于，所述步驟(2)為:將步驟(1)所得熔體升溫至飽和點溫度以上1~10°C，引入籽晶至所述熔體的表面或其中，保溫1~20小時后，以0.05~1.50°C /天的速度降溫開始生長晶體。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的生長方法，其特征在于，所述步驟(2)中，還包括在生長晶體過程中以20~60rpm的速度旋轉(zhuǎn)籽晶。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的生長方法，其特征在于，所述籽晶的旋轉(zhuǎn)為單向旋轉(zhuǎn)或雙向旋轉(zhuǎn)。
【文檔編號】C30B29/22GK103668455SQ201210343210
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月14日
【發(fā)明者】胡章貴, 岳銀超, 趙營, 涂衡 申請人:中國科學院理化技術(shù)研究所