祖母绿和绿柱石复合激光晶体的生长方法

摘要

一种祖母绿和绿柱石复合激光晶体的生长方法，该方法的实质是高温高压下的绿柱石(Be

说明书

技术领域

本发明是关于祖母绿(Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈)和绿柱石(Be₃Al₂Si₆O₁₈)复合激光晶体的生长方法。具体涉及到在祖母绿单晶两端生长绿柱石，组合成祖母绿和绿柱石的复合激光晶体材料：Be₃Al₂Si₆O₁₈/Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈/Be₃Al₂Si₆O₁₈。

背景技术

祖母绿(Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈)晶体是国际公认的优质可调谐激光晶体，能获得695～835nm的激光，是高增益的掺Cr的可调谐激光晶体，而且有很好的泵浦效率和荧光效率，并具有大的峰值截面、高量子效率等特点，是可调谐激光系统优良的震荡及放大介质。

随着高功率、超快超强激光技术及半导体激光二极管(LD)泵浦技术的发展，对激光介质晶体的激光损伤阈值的要求越来越高。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 of CrystAl 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等人用导模法在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，光损耗大；(2)提拉法、火焰法和导模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

本发明的目的，是为克服上述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，提供一种在祖母绿单晶的两端生长绿柱石晶体，组合成祖母绿和绿柱石的复合激光材料：Be₃Al₂Si₆O₁₈/Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈/Be₃Al₂Si₆O₁₈的方法。

本发明采用水热法制备Be₃Al₂Si₆O₁₈/Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈/Be₃Al₂Si₆O₁₈复合激光晶体材料。该方法的实质是由一定晶面方向的Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈(掺杂浓度0.05～0.4atm％Cr₂O₃)衬底单晶片(厚度为0.3～30mm)以及生长在其两端的Be₃Al₂Si₆O₁₈单晶(厚度均为0.3～30mm)构成的复合激光晶体材料。

本发明Be₃Al₂Si₆O₁₈/Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈/Be₃Al₂Si₆O₁₈复合激光晶体材料的制备方法，使高温高压的Be₃Al₂Si₆O₁₈水溶液达到一定的过饱和度，在Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈衬底晶片籽晶上，在与水溶液接触的两个界面上生长等厚的Be₃Al₂Si₆O₁₈体单晶。具体地说，就是采用高压釜和与之配套的电阻炉，通过合理的温场设计，使反应腔内的生长区和溶解区的温度合适，当容器内的溶液由于上下部之间的温差而产生对流时，高温区的饱和溶液被送到低温区，从而形成过饱和状态，使籽晶生长。

本发明制备复合激光晶体的步骤如下：

<7>首先把一定数量和粒径的助熔剂熔体法生长的绿柱石晶体或按绿柱石化学计量比(3BeO.Al₂O₃6SiO₂)混合的BeO、Al₂O₃、SiO₂粉体烧结块放入黄金衬套5底部的溶解区2内。

<8>按55％～75％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混合溶液。

<9>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架子上。

<10>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，再把高压釜封彻底并缓缓放入电阻炉10中。

<11>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Be₃Al₂Si₆O₁₈/Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈/Be₃Al₂Si₆O₁₈复合材料中的Be₃Al₂Si₆O₁₈厚度尺寸要求而定。

<12>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。

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，Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈与Be₃Al₂Si₆O₁₈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Be₃Al₂Si₆O₁₈/Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈/Be₃Al₂Si₆O₁₈两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，满足可调谐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：

请参阅图1，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。它由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。其结构主要包括：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作为防护衬套并与高压釜内壁分开。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内腔有矿化剂7和H₂O的混合溶液，Be₃Al₂Si₆O₁₈培养料8位于溶解区2内，培养料8上部有带孔的挡板9。

本发明用上述水热法生长方法制备Be₃Al₂Si₆O₁₈/Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈/Be₃Al₂Si₆O₁₈。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Ф38mm×700mm，黄金衬套5，衬套内腔尺寸Ф30mm×690mm，管壁厚度0.8mm，黄金籽晶架和Be₃Al₂Si₆O₁₈培养料8。

<1>将1000克粒径为4～8mm助熔剂熔体法生长的绿柱石晶体或按绿柱石化学计量比混合的BeO、Al₂O₃、SiO₂粉体烧结块放入黄金衬套5底部的溶解区2内。

<2>再分别按下表的两种方案配制矿化剂和水的混合溶液，然后对于每种方案，分别按55％、65％、75％的填充度加入矿化剂7和水的混合溶液。

    配制矿化剂和水的混合溶液

  方案1  NaOH(0.1～0.6mol/l)  H₂O  方案2  KOH(0.1～0.6mol/l)  H₂O

<3>使用黄金丝做成的梯形籽晶架6，按(0001)方向切好的Ф30×30×15mm的Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈(掺Cr浓度0.20atm％，Cr₂O₃)籽晶片两端光学级抛光，在边缘打小孔，用黄金丝连接小孔，并固定在架子上。

<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700℃，生长区温度为660℃，温差40℃；工作压力1700atm；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，Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈两端面Be₃Al₂Si₆O₁₈厚度均达8mm。用温水晶体表面溶液，晶体晶莹透明，无棉无裂，完整性好。

将所生长的Be₃Al₂Si₆O₁₈/Cr：Be₃Al₂Si₆O₁₈/Be₃Al₂Si₆O₁₈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，实验结果表明：激光阈值降低10％，激光输出效率提高5％。

该复合激光晶体在调谐激光系统领域有着广阔的应用背景。