一種微下拉定向生長異型近器件倍頻晶體的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微下拉定向生長異型近器件倍頻晶體的方法，并可設計和實現不同外形晶體器件的低成本制作，屬于晶體生長技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著晶體器件發展和相關技術的持續牽引，人工晶體制備技術也經歷著不斷的改進與創新。對于非線性激光晶體的倍頻器件，一般需要從體塊單晶中定向和加工形成。即沿著晶體的結晶學方向進行大尺寸單晶的生長，然后借助X射線衍射和相關計算得出目標取向，定向確定出最佳倍頻方向直至加工形成器件。整個周期較長，且加工和反復定向復雜，而且最終產品精度受加工誤差積累的影響較大；同時，晶體生長的結晶學軸與最佳倍頻方向一般偏離較大，因此沿著倍頻方向加工器件，使得最終晶體的整體利用率偏低。
[0003]微下拉(micro-pulling-down, μ -PD)單晶生長技術，屬于一種恪體法拉晶手段，在近二十幾年的時間里發展迅速。其中micro表示坩禍底部采用的微通道(micro-channel/nozzle)技術，它們的孔徑大約在0.5?2mm左右，是晶體生長過程中恪體傳輸的通道；pulling-down即晶體的生長是被向下牽引，這與通常的提拉法等熔體生長方法存在顯著區別。國際上對于此技術的開發主要面向激光和閃爍領域，例如日本、法國、意大利、美國等的眾多研究機構已經在激光單晶光纖、閃爍晶體以及壓電晶體等領域展開了相關研究。而國內目前只有山東大學在進行該技術的相關研究，包括設備研發和晶體生長(人工晶體學報，2014，43，1317-1322)。
[0004]微下拉技術在籽晶定向結晶和微重力牽引的雙重作用下，相比傳統提拉法可以更好地實現晶體的定向生長；此外，通過使用不同噴嘴形狀的坩禍，可以實現晶體(截面)形狀的設計與可控生長，制作近器件尺寸的棒狀、板條等等的異型晶體器件。更重要的是，對于微下拉定向生長的倍頻晶體器件，在后續器件加工過程中只需要簡單的加工，即可滿足使用要求，節約加工時間并節省原料，降低了制作成本。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的不足，本發明提供一種微下拉定向生長異型近器件倍頻晶體的方法，以非線性系數較大的方向樣品作為籽晶，通過微下拉法實現晶體定向生長，與現有熔體生長技術相比能夠有效實現晶體的良好可控定向生長，并制作近器件尺寸的異型晶體。達到節約加工時間，節省原料及減少加工費用的技術效果。
[0006]術語說明:按本領域的習慣，通常微下拉簡寫為μ-PD。本發明中的實施例材料TbCa4O (BO3) 3晶體簡寫為 TbCOB0
[0007]本發明的技術方案如下:
[0008]—種微下拉定向生長異型近器件倍頻晶體的方法，包括步驟如下:
[0009](I)首先，計算出目標晶體的非線性系數空間分布，得出非線性系數較大的方向；根據實際應用找到特定非線性光學系數的方向，通過X射線衍射定向并切出相應的位相匹配方向的籽晶；
[0010](2)將籽晶豎直固定在籽晶桿末端；
[0011](3)根據目標晶體的反應化學計量比，配制反應組成物，經過燒結得到純相多晶料；或者直接采用已經生長好的單晶作為原料，放入y-ro坩禍中；
[0012](4)將y-ro坩禍置于加熱爐內，抽真空并在惰性氣體保護下，采用電磁感應或電阻方式加熱至原料熔化，過熱保溫0.5-3小時，得到均勻的熔體；
[0013](5)將步驟(2)中的固定好的籽晶緩慢垂直向上送入加熱爐內，使籽晶的頂端與坩禍下底部熔體接觸；上升籽晶速度5-8mm/h，接觸熔體后保持15-20分鐘，依次經過放肩、等徑、提脫、降溫四個過程；其中，放肩生長的下拉速度為0.5-lmm/h，等徑部分生長速度0.5-2mm/h ;當晶體生長至所需尺寸時，提脫晶體，然后以30_50°C /h的降溫速度降至室溫，得到目標晶體，即異型倍頻晶體。
[0014]根據本發明優選的，步驟⑴中的位相匹配方向不僅限于空間內的最優位相匹配方向，在滿足使用要求的前提下，主平面內的最優倍頻方向或其他任何位相匹配方向均可。
[0015]根據本發明優選的，步驟⑴中籽晶形狀優選為圓柱體或長條體。
[0016]根據本發明優選的，步驟⑴中，籽晶的固定方式為:通過粘附、鑲嵌、或插入的方式將籽晶固定于籽晶桿末端，固定過程中保持籽晶的豎直度。
[0017]根據本發明優選的，所述的坩禍材質為銥金、鉑金、鉬、鎢單質、石墨、錸或玻璃。
[0018]根據本發明優選的，所述的坩禍底部的噴嘴模具截面形狀為圓形、方形或長方形，對應生長的晶體外形依次為圓柱體、長方體或板條形。
[0019]根據本發明優選的，所述籽晶的長度大于15mm，截面邊長或直徑尺寸為l_2mm。
[0020]根據本發明優選的，在上述步驟(3)的過程中，優選的原料為已經生長好的高質量目標單晶。本發明已經生長好的高質量單晶為現有技術生長得到，如采用提拉法生長得到的單晶。
[0021]根據本發明優選的，在上述步驟(4)、(5)的過程中，在坩禍外周圍設置有溫場，所述的溫場為高純氧化鋯材料或氧化鋁保溫材料；優選的，溫場為高純氧化鋯材料。
[0022]根據本發明優選的，在上述步驟(5)的過程中，所述的過熱條件為高出熔點5-20。。。
[0023]根據本發明優選的，步驟(5)中，當生長橫截面尺寸大于5mm的晶體時，固液界面高度小于等于0.5mm，同時將晶體生長速度降低到0.5-lmm/h,晶體提脫過程中，收尾長度大于3mm，同時控制晶體的降溫速度在15-25°C /h。
[0024]本發明優選的，所述的異型倍頻晶體為ReCa4O (BO3)3系列、LiNbO 3 (包括堿土金屬元素摻雜)系列、或Sr1 xBaxNb206系列的倍頻晶體；其中Re為稀土元素。
[0025]本發明生長的異型倍頻晶體經過簡單的加工即可作為異型倍頻晶體器件使用，經過簡單加工和端面拋光，即可實現激光的倍頻輸出。
[0026]上述異型倍頻晶體生長方法的應用，應用于非線性頻率轉換的純倍頻晶體或多功能復合的自倍頻激活離子摻雜晶體。
[0027]本發明采用微下拉法生長異型倍頻晶體，晶體長度和外形可按具體需求確定，一般生長周期4-5天左右即可。
[0028]本發明提供的倍頻晶體器件的生長方法，與采用傳統提拉法，沿結晶學軸生長晶體相比，具有以下優點:
[0029](I)易實現可控定向生長:在微下拉生長晶體的過程中，熔體在重力和表面張力的作用下從坩禍底部通孔流出，接觸籽晶后，沿著籽晶定向結晶并向下牽引。在沿著非結晶學軸方向生長時，該方法更加容易實現晶體的可控生長，可行性更強。
[0030](2)晶體利用率高:傳統提拉法沿結晶學軸方向生長晶胚，為了得到滿足長度需要的倍頻器件，需要生長較大尺寸體塊單晶，并從中切割出目標器件，整個過程中晶體利用率極低；而采用微下拉沿位相匹配方向生長晶體，能夠做到所得即所用，晶體利用率接近100%。
[0031](3)近器件生長，加工成本低:微下拉技術可以通過坩禍底部的噴嘴模具來控制特定外形的晶體生長，最大程度上滿足各種異型倍頻器件的尺寸要求，并且后期經過簡單加工即可使用，降低了加工成本。
【附圖說明】
[0032]圖1是電磁感應加熱型微下拉晶體生長過程示意圖，其中I為熔體，2為坩禍、3為線圈，4為坩禍底部模具噴嘴，5為后熱器，6為生長的倍頻單晶，7為保溫部件；
[0033]圖2是所用坩禍底部示意圖，其中標記含義如下:11為坩禍底部的熔體通孔、12為方形模具，用于生長長方體倍頻單晶器件、13為圓形模具，用于可生長圓柱形倍頻單晶器件、14為長方形模具，用于生長版條形單晶器件；
[0034]圖3是實施例2采用本發明的微下拉方法，沿空間最優倍頻方向生長得到的TbCOB晶體。
[0035]圖4是實施例6單晶倍頻器件作為頻率轉換應用的工作原理示意圖，其中，21為激光器，22為紅外光，23為微下拉生長的單晶倍頻器件，24為基頻光+倍頻光，25為濾光片，26為輸出的倍頻光。
[0036]圖5是微下拉生長的TbCOB器件的激光倍頻實驗，并與提拉法生長單晶得到的倍頻器件作了性能對比，得到的倍頻性能對比圖。
【具體實施方式】
[0037]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0038]實施例1:制備硼酸鈣氧鋱倍頻晶體器件
[0039](I)通過計算TbCOB晶體的非線性系數空間分布，得出非線性系數最大的方向為(113° ,46° )，以體塊TbCOB單晶為對象，借助X射線衍射技術定向并切出該方向樣品作為籽晶，籽晶尺寸為1.5mm*1.然后豎直安裝于籽晶桿上。
[0040](2)采用高純Tb4