掺钛蓝宝石和蓝宝石复合激光晶体的生长方法

摘要

一种掺钛蓝宝石和蓝宝石复合激光晶体的生长方法，是采用水热法生长炉在掺钛蓝宝石的衬底单晶片两端面生长等厚的纯蓝宝石单晶构成复合激光晶体，经实验证明，制成全固态连续激光器，激光阈值降低10％，激光输出效率提高5％，具有较好的应用前景。

说明书

技术领域：

本发明涉及激光晶体，特别是一种掺钛蓝宝石(Ti:Al₂O₃)和蓝宝石(Al₂O₃)复合激光晶体的生长方法。在掺钛蓝宝石单晶两端生长不掺杂的蓝宝石，组合成掺钛蓝宝石和蓝宝石的复合激光晶体材料：Al₂O₃/Ti:Al₂O₃/Al₂O₃。

背景技术：

掺钛蓝宝石(Ti:Al₂O₃)晶体是国际公认的最佳宽带可调谐激光晶体，它具有增益带宽、大的峰值截面、高量子效率、高激光破坏阈值和热稳定性等特点，是超短脉冲和高功率可调谐激光系统优良的震荡及放大介质。

1998年R.Weber等人提出在Nd:YAG激光棒两端光胶纯YAG晶体棒的复合结构，由于纯YAG晶体不对泵浦光或震荡光吸收，可以有效冷却介质，减少热效应和热透镜效应，另外在纯YAG棒两端镀膜，对提高膜层的激光损伤阈值有明显效果，从而大大提高了激光性能，降低了激光阈值(参见IEEE JournAl of Quantum Electronics，第6期，第34卷，1998年第1064页)。2002年D.Ehrentraut等人报道了用改进的提拉法在纯YAG管内部生长Yb掺杂的YAG(参见JournAl ofCrystAl Growth第242期，2002年第375页)。1962年G.E.Devlin等人报道了用火焰法在Cr:Al₂O₃周围生长Al₂O₃(参见Appl.Opt.第1期，1962年第11页)。1998年V.N.Kurlov等人用导膜法在Ti:Al₂O₃周围生长Al₂O₃(参见JournAl of CrystAl Growth第191期，1998年第520页)。

在先技术的复合激光材料，有明显的缺点：(1)通过光学耦合剂或者直接叠合(光胶)而成：由于光学耦合剂与单晶体的失配，且纯晶体与掺杂晶体间存在明显的分界，使得光损耗大；(2)提拉法、火焰法和导膜法直接生长的复合单晶，晶体质量差，存在大量的气泡和包裹物等缺陷，重复性低，至今未在器件中实际应用。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是直接在掺钛蓝宝石单晶的两端生长不掺杂的蓝宝石晶体的方法，组合成掺钛蓝宝石和蓝宝石的复合激光材料：Al₂O₃/Ti:Al₂O₃/Al₂O₃，以克服在先技术的复合激光材料制备方法所带来的光损耗大、质量差、重复率低等缺点。

本发明的技术解决方案如下：

一种掺钛蓝宝石和蓝宝石复合激光晶体的生长方法，采用水热法生长炉进行，其特征在于它包括下列步骤：

①将焰熔法生长的无色蓝宝石晶体和氢氧化铝粉体按下列重量比称量并混合后放入黄金衬套的溶解区内：

   成分           WT％        状态

无色蓝宝石：    80～90％      粒径4～8mm

氢氧化铝        20～10％      粉体

②配制矿化剂和水混合溶液

        成分                莫尔比

        K₂CO₃            1mol/L

        KOH                 1.5mol/L

        NaCO₃              0.5mol/L

         H₂O                 添加量

并按55～65％的填充度向高压釜内填充矿化剂和H₂O的混合溶液；

③用黄金丝制成梯形籽晶架，按(0001)方向切割籽晶片，端面抛光后，用黄金丝连接起来并固定在籽晶架上；

④将籽晶架缓缓放入黄金衬管内并密封好再一起放入高压釜中，再把高压釜密封并缓缓入入电阻炉中；

⑤电阻炉升温，调整温度和压力，使溶解区温度达550℃，生长区温度为505℃，温差45℃，工作压力1500atm，恒温生长若干天，根据复合材料Al₂O₃/Ti:Al₂O₃/Al₂O₃中所需生长的Al₂O₃的厚度尺寸决定；

⑥降温、停炉、打开保温罩，将高压釜提出炉膛，取出晶体，用温水洗净晶体表面溶液。

本发明与在先技术相比，一方面，与在先技术光学耦合剂或直接叠合(光胶)相比，Ti:Al₂O₃与Al₂O₃直接生长在一起，不存在晶格失配，没有明显界面，光损耗很小。另一方面，与在先提拉法、火焰法和导模法生长的复合单晶相比，水热法生长的Al₂O₃/Ti:Al₂O₃/Al₂O₃两种晶体间无明显分界，晶体完整性好，重复性好。本发明适宜批量生产，满足高功率激光器件制造上的市场需求。

附图说明：

图1是本发明制备复合激光晶体材料所用的生长装置剖面示意图。

具体实施方式：

图1是本发明掺钛蓝宝石和蓝宝石复合激光晶体生长方法所使用的水热法生长炉的结构示意图，是一台外带保温罩的高温高压釜和与之配套的温差井式电阻炉10组成。它的结构主要包括：生长区1，溶解区2，钢帽3，钢釜4。为了延长高压釜的寿命，防止酸性或碱性溶液在高温高压下对釜内腔壁的腐蚀，使用黄金衬套5作为防护衬套与高压釜内壁分开。使用黄金丝做成的梯形籽晶架6，按一定方向切好的籽晶片用黄金丝连接起来并固定在籽晶架6上，每次一个梯形架可以挂数十片(视籽晶大小而定)。黄金衬套5内腔装矿化剂7和H₂O的混合溶液，Al₂O₃培养料8位于溶解区2内，培养料8上部有带孔的挡板9。

本发明制备复合激光晶体的步骤如下：

(1).首先把一定数量和粒径的焰熔法生长的无色蓝宝石晶体和少量Al(OH)₃粉体分别按80％～90％和20％～10％的重量比混合放入黄金衬套5底部的溶解区2内。

(2).按55％～65％的填充度(填充度指室温下装入高压釜内溶液所占高压釜自由体积的百分数)加入碱金属的矿化剂7和H₂O的混合溶液。

(3).使用黄金丝做成的梯形籽晶架6，按(0001)方向切好的籽晶片，端面抛光后，用黄金丝连接起来并固定在籽晶架6上。

(4).将籽晶架6缓缓放入黄金衬管内并密封好再一起放入高压釜中，再把高压釜封好并缓缓放入电阻炉10中。

(5).电阻炉10升温，调整温度和压力，控制所需要温度和温差，达到设计的高压釜反应腔内外平衡温度，并处于恒温下生长。生长周期根据Al₂O₃/Ti:Al₂O₃/Al₂O₃复合材料中所需生长的Al₂O₃的厚度尺寸要求而定。

(6).停炉，打开保温罩，高压釜提出炉膛。取出籽晶架，取出晶体，用温水将籽晶表面的溶液洗净。

具体实施例如下：

用上述水热法生长方法以及具体的生长工艺步骤制备Al₂O₃/Ti:Al₂O₃/Al₂O₃。所选用的水热法生长炉如图1所示的装置，生长区1，溶解区2，钢帽3，钢釜4，腔体尺寸Φ38mm×700mm，黄金衬套5，衬套内腔尺寸Φ30mm×690mm，管壁厚度0.8mm，黄金籽晶架6和Al₂O₃培养料8。

(1).将1000克粒径为4～8mm焰熔法生长的无色蓝宝石晶体按表1不同的方案的重量比称量后放入黄金衬套5底部的溶解区2内，分别实施；

        表1 不同的实施方案的配料重量比

    成分    方案1    方案2    方案3蓝宝石(Wt％)    80    85    90氢氧化铝(Wt％)    20    15    10

(2).对于上一步骤的每一种方案，再按表2配制矿化剂和水的混合溶液，并分别按55％、60％、65％的填充度向高压釜内加入矿化剂7和水的混合溶液；

       表2 配制矿化剂和水的混合溶液

    成分    浓度(mol/L)    K₂CO₃    1    KOH    1.5    NaCO₃    0.5    H₂O    添加量

(3).使用黄金丝做成的梯形籽晶架6，按(0001)方向切好的Φ30×30×15mm的Ti:Al₂O₃(掺Ti浓度0.25wt％，TiO₂)籽晶片两端光学级抛光，在边缘打小孔，用黄金丝连接小孔，并固定在籽晶架上；

(4).将籽晶架缓缓放入黄金衬套5内，并密封好再一起放入高压釜内，并缓缓放入电阻炉10中；

(5).电阻炉10升温，调整温度和压力，溶解区温度为550℃，生长区温度为505℃，温差45℃；工作压力1500atm；升温速度10℃/h内，高压釜内外温度达到平衡，在此温度下恒温生长15天；

(6).降温、停炉，打开保温罩，高压釜提出炉膛，取出晶体10块，每块晶体呈厚板状，Ti:Al₂O₃两端面Al₂O₃厚度均达8mm，用温水清洗晶体表面溶液，晶体晶莹透明，完整性好。

将上述各实施例中所生长的Al₂O₃/Ti:Al₂O₃/Al₂O₃复合激光晶体材料切割、滚圆、加工、镀膜后制成全固态连续激光器，激光阈值降低10％，激光输出效率提高5％。该复合激光晶体在高功率调谐激光系统和超短脉冲等领域有着广阔的应用前景。