基于横向平移结晶法制备大尺寸Ce,Nd：YAG晶体的方法与流程

本发明涉及晶体制备领域，具体涉及基于横向平移结晶法制备大尺寸ce,nd：yag晶体的方法。

背景技术：

ce,nd:yag是一种广泛使用的双摻钇铝石榴石晶体材料，具有良好的抗紫外辐射特性和良好的热稳定性，且阈值低、效率高、机械强度高、抗热冲击性能好，是无水冷激光器以及重复频率风冷激光器最理想的工作物质，广泛用于中小型测距机和激光医疗仪。ce离子作为敏化剂，可以通过辐射吸收转移与无辐射转移两种模式向nd离子发生有效的能量转移，明显提高了晶体的光泵能量利用率与发光效率。

现有技术中，一般使用提拉法来生长ce,nd:yag晶体，但生长过程中需要进行旋转和提拉的机械运动，会在熔体中形成强迫对流，增大固液界面附近温度梯度，导致晶体中残余应力较大，位错密度较高。同时用提拉法生长ce,nd:yag会在晶体中间产生不可使用的核心，周围易产生同样无法利用的侧心，减少晶体利用率，且难以制备大尺寸的晶体。

因此，如何减少ce,nd:yag生长过程中的核心，减少晶体缺陷，提高晶体利用率，得到大尺寸的晶体，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明实际需要解决的问题是：如何减少ce,nd:yag生长过程中的核心，减少晶体缺陷，提高晶体利用率，得到大尺寸的晶体。

本发明采用了如下的技术方案：

基于横向平移结晶法制备大尺寸ce,nd：yag晶体的方法，包括：

s1、将原料均匀混合后压制烧结成块状，将块状原料置于坩埚中，将籽晶置于坩埚前端，原料由al2o3粉料、ceo2粉料及nd2o3粉料组成，ce离子的掺杂摩尔比例为0.05—10%，nd离子的掺杂摩尔比例为0.05—10%；

s2、将坩埚放入横向平移结晶炉中，密封横向平移结晶炉，开启冷却用循环水，移动坩埚位置使观察窗口对向坩埚中间部位；

s3、对横向平移结晶炉抽真空，直到横向平移结晶炉内气压处于1×10^-3pa以下，向横向平移结晶炉中充入氩气，使横向平移结晶炉内气压达到1.5—2个大气压；

s4、以预设速率升高横向平移结晶炉电压，当坩埚内块状原料完全熔化后保持当前电压；

s5、调整坩埚位置，使籽晶既不融化，籽晶周围的原料熔融液也不凝固，将籽晶向高温区移动预设距离，保持此状态5-10min，以2-3mm/h的速度使籽晶向远离高温区的方向横向移动进行引晶，所述高温区为横向平移结晶炉加热器所在区域；

s6、引晶完成后，开始晶体的放肩生长阶段，保持原移动方向不变，以4-5mm/h的移动速度持续移动坩埚，使坩埚内晶体沿着固定方向持续凝固，放肩角为80—110度；

s7、观察到放肩阶段结束后，将移动速度改为6-10mm/h,开始晶体的等宽生长，直到坩埚完全离开高温区；

s8、在20个小时内缓慢降低横向平移结晶炉功率，使高温区温度为1300—1500度，将晶体移动到高温区，恒温24小时，再在60小时内缓慢降低横向平移结晶炉功率至0，等待至晶体炉内部温度达到室温；

s9、将横向平移结晶炉内部与外界联通，待横向平移结晶炉内部气压稳定为大气压后打开晶体炉，取出晶体。

优选地，al2o3粉料、ceo2粉料及nd2o3粉料的化学计量比为10200：3：3至2503：150：150。

优选地，横向平移结晶炉中还围绕坩埚设有反射屏。

优选地，所述坩埚为船型钨坩埚，壁厚1mm-3mm。

优选地，所述籽晶晶向为[111]向。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、生长出的ce,nd:yag晶体尺寸大，可达220×150×50mm。尺寸可通过改变坩埚尺寸进行调整，提高了晶体利用率，减少了加工余量，生长出的晶体可用于制备圆片或板条状晶体。

2、在加热前将粉料混合烧结为块状，增大了原料密度，能够使坩埚盛装更多原料且原料不溢出。

3、通过调节摻入ceo2粉料和nd2o3粉料的比例可以有效调节掺杂浓度，进而调节晶体性能以及结晶完整度。

4、利用横向平移结晶炉在生长结束后完成原位退火，可有效降低晶体内部应力。

5、使用厚壁钨坩埚，厚壁钨坩埚具有耐高温、变形少的特点，能够多次使用，有利于控制晶体形状及温场稳定性，并且，采用船形坩埚，生长晶体时自由的上表面占晶体表面积的35%以上，降低了晶体的位错密度。

6、通过改变籽晶的方向可以得到沿特定方向生长的晶体。

7、生长过程无旋转运动，晶体无核心、侧心。

8、正压氩气气氛可以有效抑制原料、掺杂离子以及钨钼的挥发，钨钼挥发进入晶体中会对晶体质量产生较大影响。

9、加热器四周采用钼片作为反射屏，使温场温度梯度小，炉腔内低温区也可以保持较高温度，进而防止晶体开裂。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步的详细描述，其中：

如图1所示为本发明公开的基于横向平移结晶法制备大尺寸ce,nd：yag晶体的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了基于横向平移结晶法制备大尺寸ce,nd：yag晶体的方法，包括：

s1、将原料均匀混合后压制烧结成块状，将块状原料置于坩埚中，将籽晶置于坩埚前端，原料由al2o3粉料、ceo2粉料及nd2o3粉料组成，ce离子的掺杂摩尔比例为0.05—10%，nd离子的掺杂摩尔比例为0.05—10%；

本发明中原料可选用适合质量的5n纯度y2o3与al2o3粉料，4n或更高纯度的ceo2及nd2o3粉料。将原料混合均匀后利用压料机压制，压制后在500℃下烧结原料，然后将块状原料放置在船形钨坩埚中，将籽晶放在船形钨坩埚前端。保持全过程无杂质混入原料。根据坩埚尺寸及所需晶块厚度不同，原料总质量为1kg-5kg。在加热前将粉料混合烧结为块状，增大了原料密度，能够使坩埚盛装更多原料且原料不溢出。

s2、将坩埚放入横向平移结晶炉中，密封横向平移结晶炉，开启冷却用循环水，移动坩埚位置使观察窗口对向坩埚中间部位；

s3、打开低真空机械泵，同时开始高真空扩散泵的预热，一段时间后打开高真空扩散泵，对横向平移结晶炉抽真空，直到横向平移结晶炉内气压处于1×10^-3pa以下，向横向平移结晶炉中充入氩气，使横向平移结晶炉内气压达到1.5—2个大气压；

正压氩气气氛可以有效抑制原料、掺杂离子以及钨钼的挥发，钨钼挥发进入晶体中会对晶体质量产生较大影响。

s4、以预设速率升高横向平移结晶炉电压，当坩埚内块状原料完全熔化后保持当前电压；

s5、调整坩埚位置，使籽晶既不融化，籽晶周围的原料熔融液也不凝固，将籽晶向高温区移动预设距离，保持此状态5-10min，以2-3mm/h的速度使籽晶向远离高温区的方向横向移动进行引晶，所述高温区为横向平移结晶炉加热器所在区域；

s6、引晶完成（4-6个小时）后，开始晶体的放肩生长阶段，保持原移动方向不变，以4-5mm/h的移动速度持续移动坩埚，使坩埚内晶体沿着固定方向持续凝固，放肩角为80—110度；

s7、观察到放肩阶段结束后，将移动速度改为6-10mm/h,开始晶体的等宽生长，直到坩埚完全离开高温区；

s8、在20个小时内缓慢降低横向平移结晶炉功率，使高温区温度为1300—1500度，将晶体移动到高温区，恒温24小时，再在60小时内缓慢降低横向平移结晶炉功率至0，等待至晶体炉内部温度达到室温；

利用横向平移结晶炉在生长结束后完成原位退火，可有效降低晶体内部应力。

s9、将横向平移结晶炉内部与外界联通，待横向平移结晶炉内部气压稳定为大气压后打开晶体炉，取出晶体。

具体实施时，al2o3粉料、ceo2粉料及nd2o3粉料的化学计量比为10200：3：3至2503：150：150。

以原料总质量为1kg-5kg，al2o3粉料比化学计量比的值多30—100g，实现补充生长过程中挥发的氧化铝的目的。

具体实施时，横向平移结晶炉中还围绕坩埚设有反射屏。

加热器四周采用钼片作为反射屏，使温场温度梯度小，炉腔内低温区也可以保持较高温度，进而防止晶体开裂。

具体实施时，所述坩埚为船型钨坩埚，壁厚1mm-3mm。

使用厚壁钨坩埚，厚壁钨坩埚具有耐高温、变形少的特点，能够多次使用，有利于控制晶体形状及温场稳定性，并且，采用船形坩埚，生长晶体时自由的上表面占晶体表面积的35%以上，降低了晶体的位错密度。

具体实施时，所述籽晶晶向为[111]向。

这样，可以满足市场上绝大多数产品需求。

为了便于本领域技术人员理解本发明，以下为两个具体实施例：

具体实施例1：

选用5n的al2o3粉料791.97g,5n的y2o3氧化钇原料1004.94g,5n的ceo2粉料7.82g,5n的nd2o3粉料15.28g,将各种原料混合均匀后压制烧结，然后放入船形钨坩埚中，在钨坩埚尖端放入yag籽晶。将盛有原料的坩埚放入横向平移晶体生长炉，周围放好隔热屏，关闭晶体炉，打开循环水，抽真空至1×10^-3pa,关闭真空，充入氩气使晶体炉内气压达到1.7×10⁵pa,停止氩气充入，开始升温。升温至1970℃发现粉料熔化，在靠近籽晶部位出现明显液流线，调整坩埚位置使籽晶缓慢熔化，一段时间后开始移动坩埚使籽晶远离高温区。移动速度为3mm/h,2小时后籽晶后端晶体逐渐凝固，引晶完成，将坩埚移动速率更改为4mm/h,经过11小时完成放肩生长，放肩角度为90°，此时改变速率为7mm/h,继续生长10小时。之后开始降温，高温区温度达到1400℃时保持温度不变，此时将坩埚移动到高温区，保温10小时，之后再以一定的速率继续降温，之后让晶体继续冷却到室温。开炉取出晶体，发现晶体质量完好，无气泡或裂纹等宏观缺陷，等径部分尺寸为160×90×25mm。

具体实施例2：

按照一定比例选用5n的al2o3粉料1256.63g,5n的y2o3原料1490.34g,5n的ceo2粉料149.68g,5n的nd2o3粉料123.37g,原料中y,ce,nd离子的摩尔比例为18：1：1。将各种原料混合均匀后在压制并烧结，然后放入船形钨坩埚中，在钨坩埚尖端放入yag籽晶。将盛有原料的坩埚放入横向平移晶体生长炉，周围放好隔热屏，关闭晶体炉，打开循环水，抽真空至8×10^-4pa,关闭真空，充入氩气使晶体炉内气压达到1.9×10⁵pa,停止氩气充入，开始升温。升温至1900℃发现粉料发生形态变化但未完全熔化，继续升温至2000℃，发现原料熔化较充分，在靠近籽晶部位出现明显液流线，调整坩埚位置使籽晶缓慢熔化，发现籽晶熔化较剧烈，调整籽晶位置使其只略微熔化，一段时间后开始移动坩埚使籽晶远离高温区。移动速度为2mm/h,3.5小时后籽晶后端晶体逐渐凝固，引晶完成，将坩埚移动速率更改为5mm/h,经过10小时完成放肩生长，放肩角度为100°，此时改变速率为6mm/h,继续生长12小时。之后开始降温，高温区温度达到1500℃时保持温度不变，此时将坩埚移动到高温区，保温20小时，之后再以一定的速率继续降温，之后让晶体继续冷却到室温。开炉取出晶体，发现晶体质量完好，无气泡或裂纹等宏观缺陷，等径部分尺寸为130×100×45mm。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管通过参照本申请的优选实施例已经对本申请进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本申请的精神和范围。