[发明专利]钒酸钇晶体材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种光学晶体材料的制备方法，特别涉及一种运用固相合成法，通过配比方法和工艺流程对钒酸钇(YVO4)原料进行合成，得到的钒酸钇晶体材料的制备方法。

钒酸钇YVO4晶体是一种性能优良并可广泛运用于光纤通信行业的激光晶体，它具有散光面大、吸光系数高、吸光带宽等特点。其优良的物理、光电和机械性能使之成为实现高能量、高稳定性和最有效的二级固态激光的最佳主激光晶体。随着全球进入光传输、数字化时代，尤其是光通信、光信息处理技术应用的迅猛发展，钒酸钇(YVO4)晶体作为最新一代光通信晶体材料，将在国防、通讯、医疗、机械加工、精密仪器仪表以及科研等领域有着巨大的应用前景。长期以来，利用传统的液相合成法、水平区熔法等工艺和方法生长的光学晶体材料除了在尺寸和产品性能上(如存在易解理、开裂、多云层及散射中心等缺点)不能满足现代光通信元器件的要求以外，还在产品稳定性和成本方面存在许多劣势。中国专利ZL99124262介绍了“生长高温氧化物晶体的装置”，采用提拉法生长钒酸钇(YVO4)晶体材料，但该专利只提供了制备设备，没有涉及到原料的合成及制备工艺。

本发明的目的在于提供一种运用固相合成法得到纯度高、性能好、成本低的钒酸钇晶体材料的制备方法。从而为光通信元器件行业提供性能可靠的产品。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样考虑的：钒酸钇晶体材料的制备方法，包括以下步骤：a、钒酸钇原料合成：对提纯后的偏钒酸铵(NH4VO3)，进行适当的分组(300克一组)，选择一定的温度(500-700℃)和时间(6-10小时)，在大气环境下彻底分解成高纯度的V2O5。氧化钇(Y2O3)提纯后，选择适当的重量分组(500克一组)，在一定的温度(1100-1300℃)和时间(10-14小时)下烧灼，以除去水分、草酸等杂质，以达到高纯度的要求；b、钒酸钇晶体生长：将两种原料装入铱坩埚内，并放入反应炉，进行化料，原料熔化后装入籽晶杆，采用引上法提拉，获得长成的晶体，其工艺参数是：将欧陆表OP调至60-70，打手动，电流设定为300A，至毫伏数为4.0后改打自动，速率为3.600mv/A，料化开后再打手动，升温速率为3.600mv/A，全部化完后保温5分钟；c、成品的制备：将生长好的晶体装入氧气炉内退火，出炉冷却后经定向、切割、研磨、抛光、检测后，进行成品包装。

本发明的有益效果是：新型钒酸钇(YVO4)晶体材料在制备工程中，抛弃了传统的液相合成法、水平区熔法等方法，采用了固相合成法和引上法，在原料合成工程中通过一种独特的配比方法和工艺流程，从而使原料保持纯度高、性能好、成本低的特点。在晶体生长过程中，采用引上法提拉，保证了晶体生长的稳定性、高品质和低成本。对于促进各种高速率、宽频网的新型光通信元器件的发展起了重要作用。经检测，钒酸钇晶体材料的技术指标如下：1、物理指标光谱透过范围：400nm～5000nm晶体结构：四方锆石，空间点群D_4h晶胞参数：a＝b＝7.12；c＝6.29比重：4.22g/cm³潮解性：不潮解热膨胀系数：α_a＝4.43×10^-6/K；α_c＝11.37×10^-6/K热导系数：//C：5.23W/m/k；⊥C：5.10W/m/k晶体类型：单轴正晶体n_o＝n_a＝n_b；n_e＝n_c2、光学指标热光系数：dn_a/dT＝8.5×10^-6/K；dn_c/dT＝3.0×10^-6/K折射系数，双折射(Δn＝n_e-n_o)及离散角(ρ，光轴45°)：n_o＝1.9929，n_e＝2.2154，n＝0.2225，p＝6.04 at 0.63μmn_o＝1.9500，n_e＝2.1554，n＝0.2054，p＝5.72 at 1.30μmn_o＝1.9447，n_e＝2.1486，n＝0.2039，p＝5.69 at 1.55μm

附图为本发明的工艺流程图。

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

参照附图，a、钒酸钇原料合成：首先，原料组分。NH4VO3：分析纯；Y2O3：TRED＞99.999％。然后，合成的操作过程。NH4VO3分300克一组在600度氧气环境中彻底分解成V2O5。Y2O3分500克一组在1200度氧气环境中灼烧12小时。以50克原料为一组，初始料V2O5 22.31克Y2O3 28.25克，添加料V2O5 22.31克Y2O3 28.11克，每组加H2O 9克调匀后压片，烘干后放在刚玉坩埚中1200度下烧结8小时。最后原料检验。b、钒酸钇晶体生长：1.抽真空冲氮气：关上炉门抽真空，当抽至指定压力后，留(1/3-2/3)格即可冲氮气0.035-0.040Mpa。2.升温化料：将冷却水总阀打开，合上总阀。再开中频电源开关，调手动电位器至需要功率，(下种温度时中频回流的百分之八十五)，1小时后打自动以+1/1”至见料化，打手动升功率至下种中频回流再加30-50A，见料化透后降温至下种功率(看流线)。3.自动控温和下晶种：当温度达指定值，把欧陆表按至自动，P1为升降温上下限，下晶种缩晶，当温度合适时慢慢下放籽晶(每隔2-3分钟下放4-6毫米)至接料面，晶体生长前要求记录好生长条件，生长中密切观察、调节，做好记录。4.洗籽晶，熔料后将中频功率自动降至黑色流线减少，当黑色流线不明显时，将籽晶摇至熔体约10-12毫米处，让籽晶表面熔去一层，再上摇至脱离料面(洗籽晶温度比下种毫伏数高100-150微伏)。下种温度，根据目测熔体流线，调整欧陆表SP值，将籽晶摇至接近面，采用上点试法，让籽晶处于微熔状态为下种温度。下晶种后，通过调节欧陆表Pr1使晶体在生长过程中为缩晶并拉细一段。5.放肩生长：晶种缩颈生长1毫米后，以每小时300-350微伏降温，随着温度的降低，光圈越来越小，直至与晶体相切。当晶体周围出现黑边时，应立即升温，使晶体不至太快长大，然后调节升降温速率，使光圈处于1/2-2/3之间，使晶体放肩角度约90度。6.等径生长：当晶体生长至所需大小(目测)时，恒温或升温，使光圈慢慢向前直至包围整个晶体，此时，晶体不再增大，调节升降温速率的大小，保持光圈宽度0.6-1.5毫米为宜。在生长中有时会出现晶体直径不对称，应尽可能使往里缩的一边少缩一点(增大降温速率)，同时，保证住外长那边光圈不会贴着晶体。如发现有部位光圈贴着晶体，这时应迅速升温，使光圈重现完整清晰，如果晶体出现“长角”，此时应停止提拉，并迅速升温熔掉长角，然后以小于每小350微伏降温至光圈正常。7.晶体长生收尾：当晶体等径生长到需要长度时，记录欧陆表实测值和提拉杆位值，关提拉离合器开关，杆位清零，将晶体上摇至脱离熔体。c、成品的制备：1.退火：晶体降温速率的确定，在退火时间T确定后，当晶体提起时的电势E，从E降至0.4E时，退火时间必须为0.75T；电势从0.4E降至0.1E左右，退火时间为0.25T。当电势值降至提起时电势的0.7E时充氧气1/3格。2.退火结束：见炉内已黑，确认中频功率降至最低，关中频电源1小时后关冷却水。3.开炉取晶体：当炉温降至室温，打开炉门，取出晶体，将晶体放入5-7mvHe-Ne激光中检测是否存在光散射，并将晶体颜色、形状、尺寸等生长记录要求进行小结，入库。