一種Re³⁺:KY(WO₄)₂激光晶體的生長方法

專利名稱：一種Re³⁺:KY(WO₄)₂激光晶體的生長方法
技術領域：
本發明涉及晶體生長技術領域。本發明闡述采用旋轉坩鍋和熔鹽提拉法相結合的 方法生長大尺寸Re3+:KY(W04)2激光晶體(Re代表稀土元素，如Nd、Yb、Er、Tm、Pr、Ho等)。
背景技術：
KY (W04) 2簡稱KYW，屬于單斜晶系，空間群為C2/c，晶胞參數為<3 二 10. 64A, b = 10.35A，C 二 7. 54A, ^ = 130.5° , Dc = 6. 561g/cm3,v= 631. 39A3。KY(W04)2 是 一種具有良好的機械和物化性能，對于稀土摻雜激活離子具有吸收峰較寬、較大的發射截 面、泵浦閾值較低，有利于對LD光源的吸收，而且激活離子Re3+摻雜濃度較高，因此是一類 優良的激光基質材料。同時，由于KY(W04)2晶體具有較高的受激拉曼增益，受激拉曼散射閾 值較低，性能優于同類的鎢酸鹽晶體，特別是作為自受激拉曼激光晶體，能夠將優異的激光 性能和受激拉曼性能相結合，因此稀土激活的Re3+:KYW晶體將是一類優異的激光晶體和自 受激拉曼激光晶體。由于Re3+:KY(W04)2是非同成分熔化，因此只能采用熔鹽法生長晶體，目前國內外 一般采用K2W04作為助熔劑，我們也生長出尺寸達30mm的Nd3+:KY(W04)2優質激光晶體，采 用氙燈泵浦，實現了 1.06um的激光輸出，其效率優于Nd3+:YAG晶體。但是采用熔鹽法生長 技術，其生長速率很慢，而且晶體生長尺寸也受到很大的限制，為此，可以采用熔鹽提拉法 來提高晶體生長速率和尺寸。但是，由于熔體中存在大量的K2W04助熔劑成分，其中W-0可以形成多W聚合物， 在熔體中形成網狀結構，使得熔體粘度很大，從而較低了離子基團的輸運速率。而離子基 團從熔體向晶體表面的擴散和排雜助熔劑離子基團向熔體的擴散過程，是熔鹽法晶體生長 的主要控制步驟，其生長速率取決于離子基團的輸運速率，特別是對于熔鹽提拉法生長技 術，因為該技術要求較大的生長速率。如果熔體的混合度較低，則晶體生長排雜助熔劑離子 基團不能及時地從晶體中擴散到熔體中，而熔質離子基團也不能及時地從熔體輸運到晶體 表面，這將阻礙晶體的生長并引起晶體的饑餓，產生包裹，甚至引起晶體邊界局部的過熱現 象，難于繼續生長，這些現象都曾經出現在我們生長LB0和NYAB等晶體的實驗過程。顯然地，我們現在所普遍使用的頂部旋轉籽晶攪拌方法和靠溫度梯度所造成的自 然對流法，都不能夠使熔體得到有效的混合，離子基團的輸運速率都較緩慢，這主要是這些 方法存在著以下的局限性(1)籽晶在熔體的頂部攪拌，只引起有限區域熔體的混合，還會 造成頂部熔體的快速揮發，并使得生長的亞穩區變窄。(2)靠溫度梯度所造成的自然對流并 不能使熔體有效的混合，還會引起較大的溫度波動。為了克服上述方法的局限性，必須采用更有效的攪拌方法，而旋轉坩鍋法便是一 種方法。旋轉坩鍋攪拌法(簡稱ACRT)是指正反方向周期性地加速或減速旋轉坩鍋的技術。 在旋轉坩鍋攪拌法的作用下，由于熔體的粘性，坩鍋中心的熔體將產生相對于坩鍋邊緣的 熔體的運動，其流動狀態包含有兩種基本的運動狀態(1) Spiral Shear流動。在一定的旋 轉條件下，Spiral Shear流動能夠在熔體中形成成千上百個螺旋臂，使得熔體均勻化。(2)Ekman流動。Ekman流動是類似于旋風中大量空氣的旋轉運動，當坩鍋變速旋轉時，相反的 流動便產生了。不斷加速或減速旋轉坩鍋時，流體不斷地被抽運通過Ekman層，從而使得熔 體達到連續的均勻混合。旋轉坩鍋的強混合效果，不僅可以加速質能的輸運，減少坩鍋底部和壁上的 晶體成核幾率，使得晶體生長速率增大。同時，根據晶體生長邊界層厚度的公式S = 22/3Di/3vi/6ri/2和生長速率公式v = D(nsn-ne)/5 P，(D 擴散系數；W 轉動速率；P 比重； ne 平衡熔質濃度；risn 熔質濃度，V 晶體生長速率)，這種強有效的流動混合將有效地減少 邊界層的厚度，也可以加速晶體的生長速率。并且這種強有效的流動混合效果還將大大的 抑制溫度的波動。綜上所述，把旋轉坩鍋和熔鹽提拉法相結合的方法用于Re3+ = KY(WO4)2激光晶體， 可以獲得大尺寸的Re3+ = KY(WO4)2激光晶體。目前，我們采用這種方法已經能夠快速生長出 大于60mm的Nd3+ = KY(WO4)2優質激光晶體。

發明內容
本發明的目的在于公開一種Re3+ = KY(WO4)2激光晶體的生長方法。實現本發明目的技術方案本發明提供的Re3+ = KY(WO4)2激光晶體(其中Re代表稀土元素，如Nd、YbEr, Tm、 Pr、Ho等)的生長方法，為采用旋轉坩鍋和熔鹽提拉法相結合的方法生長晶體。該生長方法采用4N的Y203、Re203和分析純的W203、K2C03作為原料，采用K2WO4作為 助熔劑，進行Re3+ = KY(WO4)2激光晶體的生長，其中(1)坩鍋的正反方向旋轉速率為-100 100(轉/分鐘)，周期為3 8分鐘；(2)籽晶的旋轉速率為5 20 (轉/分鐘)；(3)晶體的提拉速率為3 5 (毫米/天)；(4)籽晶方向為b向;(5)在熔體熔化飽和溫度以上50度左右，將籽晶下到熔體中，15分鐘后降溫至熔 體熔化飽和溫度，開始以2 5 (度/天)速率降溫。前述生長方法所述的助熔劑可以采用K2W2O7代替。
具體實施例方式實施例1 :Re3+= KY(WO4)2激光晶體的生長制備采用55mol % K2W2O7作為助熔劑，采用4N的Y203、Re203和分析純的W03、K2C03作為 原料，按照下列化學反應式進行配料 K2C03+4W03+(1-x) Y203+xRe203 — 2KRexY(1_x) (WO4) 2+C02 個K42C03+2W03 — K2ff207+C02 個χ = 0. 01 0. 10。把原料混合均勻，壓成片狀，置于鉬坩堝中，以150°C /h緩慢升 溫到燒結的預定溫度，重復此過程，直至X射線粉末衍射的結果不變為止。把原料裝入Φ 55mmX 30mm的銥坩堝內，升溫到比熔點高50 V的溫度，恒溫1小時， 使得原料熔化完全。所采用籽晶的方向為b向，在熔體熔化飽和溫度以上50度左右，將籽 晶下到熔體中，15分鐘后降溫至熔體熔化飽和溫度，開始以2 5(度/天)速率降溫。坩鍋的正反方向旋轉速率為-100 100(轉/分鐘)，周期為3 8分鐘，籽晶的旋轉速率為 5 20 (轉/分鐘)，晶體的提拉速率為3 5 (毫米/天)。生長結束后，將晶體提離液面， 然后以10 30(度/小時)的速率降至室溫，得到尺寸為大于60mm的透明晶體。實施例2 Re3+ KY (WO4) 2激光晶體的生長制備采用55mol % K2WO4作為助熔劑，采用4N的Y203、Re2O3和分析純的W03、K2CO3作為 原料，按照下列化學反應式進行配料K2C03+4W03+(1-x) Y203+x Re2O3 — 2KRexY(1_x) (WO4) 2+C02 個K2C03+W03 — K2W04+C02 個χ = 0. 01 0. 10。把原料混合均勻，壓成片狀，置于鉬坩堝中，以150°C /h緩慢升 溫到燒結的預定溫度，重復此過程，直至X射線粉末衍射的結果不變為止。把原料裝入Φ 55mmX 30mm的銥坩堝內，升溫到比熔點高50 V的溫度，恒溫1小時， 使得原料熔化完全。所采用籽晶的方向為b向，在熔體熔化飽和溫度以上50度左右，將籽 晶下到熔體中，15分鐘后降溫至熔體熔化飽和溫度，開始以2 5(度/天)速率降溫。坩 鍋的正反方向旋轉速率為-100 100(轉/分鐘)，周期為3 8分鐘，籽晶的旋轉速率為 5 20 (轉/分鐘)，晶體的提拉速率為3 5 (毫米/天)。生長結束后，將晶體提離液面， 然后以10 30(度/小時)的速率降至室溫，得到尺寸為大于60mm的透明晶體。
權利要求
一種Re3+:KY(WO4)2激光晶體的生長方法，其中Re為Nd、Yb、Er、Tm、Pr、Ho，其特征在于采用旋轉坩鍋和熔鹽提拉法相結合的方法生長晶體。
2.—種權利要求1所述的Re3+:KY(W04)2激光晶體的生長方法，其特征在于采用Y203、 Re203和W203、K2C03作為原料，采用K2W04或K2W207作為助熔劑；坩鍋的正反方向旋轉速率 為-100 100(轉/分鐘)，周期為3 8分鐘；籽晶的旋轉速率為5 20(轉/分鐘)； 晶體的提拉速率為3 5(毫米/天)；籽晶方向為b向；在熔體熔化飽和溫度以上50度左 右，將籽晶下到熔體中，15分鐘后降溫至熔體熔化飽和溫度，開始以2 5 (度/天)速率降
全文摘要
本發明涉及Re3+:KY(WO4)2激光晶體的生長方法，其中Re代表稀土元素，如Nd、Yb等。采用旋轉坩堝和熔鹽提拉法相結合的方法生長晶體。采用4N的Y2O3、Re2O3和分析純的W2O3、K2CO3作為原料，采用K2WO4作為助熔劑，進行Re3+:KY(WO4)2激光晶體的生長。所述的助熔劑可以采用K2W2O7代替。
文檔編號C30B15/00GK101831709SQ20091011123
公開日2010年9月15日 申請日期2009年3月13日 優先權日2009年3月13日
發明者朱昭捷, 李堅富, 涂朝陽, 游振宇, 王燕 申請人:中國科學院福建物質結構研究所