大尺寸Nd,Ce∶YAG激光晶體的生長及缺陷研究

郭勇文，黃晉強(qiáng)，權(quán)紀(jì)亮

(1.廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣州 510006；2.廣州半導(dǎo)體材料研究所，廣州 510610)

0 引 言

近年來，遠(yuǎn)程激光測距、激光軟殺傷、光電對抗等領(lǐng)域?qū)Ω叻逯倒β始す廨敵龅囊笤絹碓礁遊1]，需要研制出具有光路結(jié)構(gòu)簡單、級(jí)數(shù)少、體積小、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，且符合小型化、輕型化要求的高峰值功率大能量激光器[2-3]。但目前常用的Nd∶YAG晶體，受吸收帶的位置和寬度制約，對短波長的泵浦光能量利用率不高[4]。此外，Nd3+在YAG中的分凝系數(shù)很小(約為0.2[5])，限制了激光效率的提高。雙摻Nd,Ce∶YAG晶體作為新的激光晶體，摻入的Ce3+對短波長光具有吸收作用，能夠與其他同摻雜的離子發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生能級(jí)躍遷，通過自發(fā)輻射的熒光效應(yīng)，將能量轉(zhuǎn)移到Nd3+可以吸收的光譜上，達(dá)到增大輸出能量、降低激光振蕩閾值的目的[6-8]。

目前，國內(nèi)Nd,Ce∶YAG激光晶體生長普遍采用電阻加熱鉬坩堝提拉法，生長的晶體直徑在φ30～40 mm。受鉬坩堝的高溫?fù)]發(fā)性影響，晶體在生長過程中極易產(chǎn)生包裹物等缺陷，整體質(zhì)量不高。本文提出了采用中頻感應(yīng)加熱銥金坩堝提拉法(Cz)生長大尺寸Nd,Ce∶YAG晶體，并分析了晶體缺陷的成因。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 晶體生長

生長Nd,Ce∶YAG晶體所用的原料為Y2O3(5N)、Al2O3(5N)、CeO2(4N)、Nd2O3(6N)，按化學(xué)式(Y1-x-yNdxCey)3Al5O12進(jìn)行稱量(其中x=0.01，y=0.001)，將稱量好的原料混合均勻后在等靜壓設(shè)備下壓制成柱型，然后放入馬弗爐中升溫至1 300 ℃恒溫48 h形成多晶料，最后按設(shè)計(jì)好的溫場系統(tǒng)進(jìn)行裝爐生長晶體。本實(shí)驗(yàn)晶體生長設(shè)備采用北京雷生強(qiáng)式科技公司產(chǎn)的DJL-800型全自動(dòng)控制單晶爐。銥金坩堝規(guī)格為φ120 mm×120 mm，一次性投料5 200 g。選用<111>方向的Nd∶YAG籽晶，在氬氣保護(hù)氣氛中生長。

1.2 核心和側(cè)心觀察

實(shí)驗(yàn)所用樣品為經(jīng)頭尾切除兩端面拋光的Nd,Ce∶YAG晶體毛坯等徑部分。紅光平行光光源型號(hào)LP-80(深圳恒寶光電有限公司)，波長638 nm。正交偏光系統(tǒng)型號(hào)PSV-201(蘇州精創(chuàng)光學(xué)儀器有限公司)。

1.3 消光比和波前畸變測試

實(shí)驗(yàn)所用樣品規(guī)格分別為φ6 mm×145 mm，φ7 mm×145 mm，φ8 mm×145 mm。消光比儀型號(hào)CF-XGB-II(西安超凡光電設(shè)備有限公司)，干涉儀型號(hào)G30D(上海乾曜光學(xué)科技有限公司)。

2 結(jié)果與討論

在采用提拉法生長Nd,Ce∶YAG晶體的初始過程中，發(fā)現(xiàn)晶體產(chǎn)生的缺陷非常嚴(yán)重，主要包含包裹體和開裂缺陷。影響晶體產(chǎn)生缺陷的因素主要有溫度梯度、晶體生長工藝、晶體尺寸等方面，下面將對這些影響因素和缺陷的關(guān)系加以討論，并提出解決辦法。

2.1 包裹體缺陷

Nd,Ce∶YAG熔體和Nd∶YAG一樣具有較大的過冷度，在生長過程中極易產(chǎn)生包裹物。在Cz法中，晶體是從固液界面進(jìn)行生長的，結(jié)晶潛熱也通過同一位置釋放出來，這意味著溫度和對流分布決定了固液界面的形狀。因此，合適的生長界面對獲得高質(zhì)量的單晶至關(guān)重要。在Nd,Ce∶YAG晶體中，由于Nd3+和Ce3+的半徑比Y3+大，Nd3+和Ce3+在YAG熔體中的分凝系數(shù)分別為0.2和0.1[5,9]左右，隨著晶體生長，熔體中Nd3+和Ce3+的濃度不斷增加，這種濃度的富集很容易產(chǎn)生組分過冷現(xiàn)象[10]。當(dāng)組分過冷出現(xiàn)后，穩(wěn)定的生長界面被破壞，變成胞狀界面。然后，高濃度、低熔點(diǎn)的熔體被封閉在晶胞界面的凹槽中，會(huì)在晶體生長過程中形成云層狀、空洞等各類包裹物缺陷。為了克服Nd,Ce∶YAG晶體在生長過程中出現(xiàn)的組分過冷問題，需要設(shè)計(jì)有較大溫度梯度(軸向分量)的保溫系統(tǒng)，但是溫度梯度過大也會(huì)導(dǎo)致晶體裂紋、高應(yīng)力和位錯(cuò)缺陷產(chǎn)生[11]。為此，進(jìn)行了如下的設(shè)計(jì)：

(1)溫場調(diào)整

晶體在不合適的溫度場中生長會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，為了改變溫度分布，本團(tuán)隊(duì)調(diào)整了銥金坩堝與感應(yīng)線圈之間的相對垂直高度，同時(shí)坩堝上方溫場系統(tǒng)采用了多層保溫結(jié)構(gòu)。通過這樣的設(shè)計(jì)，增大了Nd,Ce∶YAG晶體生長界面的溫度梯度，有效地抑制了組分過冷現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)也降低了坩堝上方的溫度梯度，減小了晶體的開裂幾率，類似的溫場調(diào)整在文獻(xiàn)[12-13]中也有報(bào)道。

(2)生長工藝調(diào)整

在晶體生長過程中，晶體的旋轉(zhuǎn)速率對熔體的流場影響特別大。熔體的自然對流和強(qiáng)迫對流的相互作用決定晶體生長界面的形狀，隨著晶體旋轉(zhuǎn)速率的增加和軸向溫度梯度的減小，界面形狀會(huì)由凸變凹[14-16]。在晶體生長后期，由于液面的下降，熔體的自然對流強(qiáng)度也逐漸減弱[17]。本實(shí)驗(yàn)中，Nd,Ce∶YAG晶體采用凸界面生長方式。為了維持晶體在生長過程中的凸界面保持不變，采用了變轉(zhuǎn)速的生長方式，等徑生長過程的晶轉(zhuǎn)在15～12 r/min范圍內(nèi)。

2.2 開裂缺陷

(1)

式中：εb為斷裂應(yīng)變值；α為熱膨脹系數(shù)；h為傳熱系數(shù)；R為晶體半徑。由式(1)可知，晶體生長允許的最大軸向溫度梯度與R1.5近似成反比，這意味著軸向溫度梯度隨著晶體半徑的增大而減小，為了防止Nd,Ce∶YAG晶體放肩生長時(shí)的開裂，必須減小軸向溫度梯度。從這個(gè)角度看，采用多層保溫裝置，使熔體上方的軸向溫度梯度由15 ℃/mm降低到10 ℃/mm，有效地減小了Nd,Ce∶YAG晶體放肩時(shí)的開裂幾率。

(2)

圖1 調(diào)整前后的Nd,Ce∶YAG晶體冷卻過程示意圖Fig.1 Cooling process of Nd, Ce∶YAG crystals before and after modification

經(jīng)過晶體生長溫場環(huán)境、工藝參數(shù)、冷卻速率的調(diào)整后，成功地生長出直徑φ50 mm等徑長150 mm的Nd,Ce∶YAG晶體，如圖2所示。從圖中可以看出，所生長的Nd,Ce∶YAG晶體結(jié)構(gòu)完整，無包裹體和裂紋宏觀缺陷。

圖2 實(shí)驗(yàn)生長的直徑φ50 mm 等徑長150 mm的Nd,Ce∶YAG晶體Fig.2 Photo of as-grown Nd,Ce∶YAG crystal(diameter is φ50 mm, and the equal length is 150 mm)

晶體毛坯經(jīng)頭尾切除和兩端面拋光后，在紅光平行光和正交偏光系統(tǒng)下觀察其核心和側(cè)心的分布情況，如圖3所示。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)生長的Nd,Ce∶YAG晶體的核心和側(cè)心面積很小，可進(jìn)行選材的區(qū)域較大。選取部分加工好的激光棒進(jìn)行光學(xué)質(zhì)量測試，表1給出了三種不同規(guī)格晶體棒消光比和波前畸變的測試結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)生長的大直徑Nd,Ce∶YAG晶體具有良好的光學(xué)品質(zhì)。

圖3 Nd,Ce∶YAG晶體在紅光平行光和正交偏光系統(tǒng)下的核心和側(cè)心分布圖Fig.3 Distribution of the core and lateral centers of Nd,Ce∶YAG crystals under red parallel light and crossed polarization system

表1 不同規(guī)格Nd,Ce∶YAG晶體棒的消光比和波前畸變測試Table 1 Extinction ratio and wavefront distortion test of Nd,Ce∶YAG crystal rods with different sizes

3 結(jié) 論

大尺寸Nd,Ce∶YAG晶體生長過程中產(chǎn)生的包裹物缺陷主要是由組分過冷造成的，通過提高生長界面的溫度梯度和變轉(zhuǎn)速生長工藝可以抑制包裹物的產(chǎn)生；放肩時(shí)產(chǎn)生的開裂缺陷主要由上保溫系統(tǒng)溫度梯度過大造成，通過采用多層保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效減小晶體開裂的幾率；晶體冷卻時(shí)產(chǎn)生的開裂問題可以通過采用更加緩慢的多段降溫程序來解決。通過對晶體生長的溫場環(huán)境、工藝參數(shù)、冷卻速率調(diào)整后成功生長出直徑φ50 mm等徑長150 mm的無缺陷Nd,Ce∶YAG晶體，晶體核心和側(cè)心面積小，光學(xué)性能優(yōu)良。本研究可為批量化生長大尺寸Nd,Ce∶YAG晶體過程中的質(zhì)量改進(jìn)提供方向和指導(dǎo)。