YAG基质激光晶体生长.ppt

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1、Nd:YAG晶体的生长方法杨珊珊内容Nd:YAG晶体的简介Nd：YAG晶体的生长方法生长缺陷的形成及消除提拉法布里奇曼法导向温度梯度法Nd：YAGNd：YAG全称为掺钕的钇铝石榴石晶体（Nd：：Y3Al5O12），钇铝石榴石晶体为其激活物质，体晶体内之Nd原子含量为0.6～1.1％，属固体激光，可激发脉冲激光或连续式激光，发射之激光为红外线波长1.064μm。Nd：YAG激光器特点：增益高、阈值低、量子效率高、热效应小、机械性能良好、适合各种工作模式（连续、脉冲）等主要应用：治疗血管瘤，Nd:YAG激

2、光的波长为1064nm，不在氧合血红蛋白的吸收峰附近，氧合血红蛋白对Nd：YAG激光的吸收较差．但其穿透深度可达8mm左右，因而能对较深部位的血管瘤发挥治疗作用Nd：YAG晶体生长方法提拉法布里奇曼法导向温度梯度法提拉法图1提拉法晶体生长装置结构示意图﹠提拉法：切克劳斯基法（Czochralsik：CZ法），1917年由切克斯基建立的一种晶体生长方法＆基本原理：是指在合理的温场下，将装在籽晶杆上的籽晶下端，下到熔体的原料中，籽晶杆在旋转马达及提升机构的作用下，一边旋转一边缓慢地向上提拉，经过缩颈、扩肩

3、、转肩、等径、收尾、拉脱等几个工艺阶段，生长出几何形状及内在质量都合格单晶的过程。提拉法优点：（a）在生长过程中，可以方便地观察晶体的生长情况（b）晶体在熔体的自由表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核（c）可以方便地使用定向籽晶与“缩颈”工艺，得到完整的籽晶和所需取向的晶体。提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体缺点：（a）坩埚材料对晶体可能产生污染；（b）熔体的液流作用、传动装置的振动和温度的波动都会对晶体的质量产生影响提拉法生长Nd:YAG

4、1964年Linares首先用这个方法成功地生长了激光用的10mm×4mmYAG晶体从1965年到1968年，Cockayne曾发表过一系列文章，讨论用提拉法生长YAG的问题。90年代，国外用自动化晶体生长设备，已批量生产出φ75mmNd:YAG晶体；不久，φ100mm的Nd:YAG晶体又相继问世图2生长Nd:YAG晶体时熔体的对流情况的比较图3：高掺杂Nd:YAG晶体截面干涉图为了提高YAG中Nd离子的浓度均匀性，Katsurayama等在提垃法中采用了双坩埚和自动加料系统，如图4，在生长过程中不断

5、向熔体中添加低浓度的粉料，使熔体中Nd的浓度基本不变。最终获得了浓度均匀的Nd:YAG晶体，其头尾浓度偏差在±0.02at%以内，同时将析晶率提高到30%。图4：配备自动粉料添加系统的晶体生长装置示意图布里奇曼法生长Nd：YAG布里奇曼法是一种典型的熔体生长法，一般分为垂直和水平布里奇曼法两种图5坩埚下降晶体炉的结构示意图垂直布里奇曼法又称为坩埚下降法是从熔体中生长晶体的一种方法。通常坩埚在结晶炉中下降，通过温度梯度较大的区域时，熔体在坩埚中，自下而上结晶为整块晶体。这个过程也可用结晶炉沿着坩埚上升方

6、式完成垂直布里奇曼法优点：1、与提拉法比较该方法可采用全封闭或半封闭的坩埚，成分容易控制2、由于该法生长的晶体留在坩埚中，因而适于生长大块晶体，也可以一炉同时生长几块晶体3、工艺条件容易掌握，易于实现程序化、自动化缺点：1、不适于生长在结晶时体积增大的晶体，生长的晶体通常有较大的内应力2、在晶体生长过程中也难于直接观察，生长周期比较长水平布里奇曼法图6:水平布里奇曼法生长装置原理图水平布里奇曼法是由BarIIacapob研制成功的一种制备大面积定型薄片状晶体的方法。其结晶原理如图6，将原料置于舟型坩埚

7、中，使坩埚水平通过加热区，原料熔化并结晶。为了能够生长有严格取向的晶体，可以在坩埚顶部的籽晶槽中放入籽晶来诱导生长水平布里奇曼法特点：（1）开放式的坩埚便于观察晶体的生长情况（2）由于熔体的高度远小于其表面尺寸，有利于去除挥发性杂质，另外还有利于降低对流强度，提高结晶过程的稳定性（3）开放式的熔体表面使在结晶的任意阶段向熔体中添加激活离子成为可能（4）通过多次结晶的方法，可以对原料进行化学提纯图7:水平布里奇曼法生长的Nd:YAG导向温度梯度法（TGT）图8:TGT晶体生长装置结构示意图导向温梯法是以

8、定向籽晶诱导的熔体单结晶方法。TGT的温场主要靠调整石墨发热体、Mo保温屏、Mo坩埚的形状和位置，发热体的功率以及循环冷却水的流量来调节，使之自下向上形成一个合适的温度梯度TGT与提拉法相比，有以下特点：(1)晶体生长时温度梯度与重力方向相反，并且坩埚、晶体和发热体都不移动，这就避免了热对流和机械运动产生的熔体涡流。(2)晶体生长以后，由熔体包围，仍处于热区。这样就可以控制它的冷却速度，减少热应力。而热应力是产生晶体裂纹和位错的主要因素。(3)晶体生长时