[发明专利]一种Re3+:KY(WO4)2激光晶体的生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域。本发明阐述采用旋转坩锅和熔盐提拉法相结合的方法生长大尺寸Re³⁺:KY(WO₄)₂激光晶体(Re代表稀土元素，如Nd、Yb、Er、Tm、Pr、Ho等)。

背景技术

KY(WO₄)₂简称KYW，属于单斜晶系，空间群为C2/c，晶胞参数为β＝130.5°，Dc＝6.561g/cm³，KY(WO₄)₂是一种具有良好的机械和物化性能，对于稀土掺杂激活离子具有吸收峰较宽、较大的发射截面、泵浦阈值较低，有利于对LD光源的吸收，而且激活离子Re³⁺掺杂浓度较高，因此是一类优良的激光基质材料。同时，由于KY(WO₄)₂晶体具有较高的受激拉曼增益，受激拉曼散射阈值较低，性能优于同类的钨酸盐晶体，特别是作为自受激拉曼激光晶体，能够将优异的激光性能和受激拉曼性能相结合，因此稀土激活的Re³⁺:KYW晶体将是一类优异的激光晶体和自受激拉曼激光晶体。

由于Re³⁺:KY(WO₄)₂是非同成分熔化，因此只能采用熔盐法生长晶体，目前国内外一般采用K₂WO₄作为助熔剂，我们也生长出尺寸达30mm的Nd³+:KY(WO₄)₂优质激光晶体，采用氙灯泵浦，实现了1.06um的激光输出，其效率优于Nd³⁺:YAG晶体。但是采用熔盐法生长技术，其生长速率很慢，而且晶体生长尺寸也受到很大的限制，为此，可以采用熔盐提拉法来提高晶体生长速率和尺寸。

但是，由于熔体中存在大量的K₂WO₄助熔剂成分，其中W-O可以形成多W聚合物，在熔体中形成网状结构，使得熔体粘度很大，从而较低了离子基团的输运速率。而离子基团从熔体向晶体表面的扩散和排杂助熔剂离子基团向熔体的扩散过程，是熔盐法晶体生长的主要控制步骤，其生长速率取决于离子基团的输运速率，特别是对于熔盐提拉法生长技术，因为该技术要求较大的生长速率。如果熔体的混合度较低，则晶体生长排杂助熔剂离子基团不能及时地从晶体中扩散到熔体中，而熔质离子基团也不能及时地从熔体输运到晶体表面，这将阻碍晶体的生长并引起晶体的饥饿，产生包裹，甚至引起晶体边界局部的过热现象，难于继续生长，这些现象都曾经出现在我们生长LBO和NYAB等晶体的实验过程。

显然地，我们现在所普遍使用的顶部旋转籽晶搅拌方法和靠温度梯度所造成的自然对流法，都不能够使熔体得到有效的混合，离子基团的输运速率都较缓慢，这主要是这些方法存在着以下的局限性：(1)籽晶在熔体的顶部搅拌，只引起有限区域熔体的混合，还会造成顶部熔体的快速挥发，并使得生长的亚稳区变窄。(2)靠温度梯度所造成的自然对流并不能使熔体有效的混合，还会引起较大的温度波动。

为了克服上述方法的局限性，必须采用更有效的搅拌方法，而旋转坩锅法便是一种方法。旋转坩锅搅拌法(简称ACRT)是指正反方向周期性地加速或减速旋转坩锅的技术。在旋转坩锅搅拌法的作用下，由于熔体的粘性，坩锅中心的熔体将产生相对于坩锅边缘的熔体的运动，其流动状态包含有两种基本的运动状态：(1)Spiral Shear流动。在一定的旋转条件下，Spiral Shear流动能够在熔体中形成成千上百个螺旋臂，使得熔体均匀化。(2)Ekman流动。Ekman流动是类似于旋风中大量空气的旋转运动，当坩锅变速旋转时，相反的流动便产生了。不断加速或减速旋转坩锅时，流体不断地被抽运通过Ekman层，从而使得熔体达到连续的均匀混合。