YLF激光晶體鍵合面清洗與活化技術(shù)研究

杜秀紅

摘 要：化學(xué)清洗與表面活化是鍵合激光晶體制備的關(guān)鍵過程。不同的激光晶體鍵合面需要不同的清洗與活化工藝。根據(jù)氟化釔鋰（YLF）系列激光晶體特點，研究對比不同極性化學(xué)試劑浸泡對YLF系列晶體表面質(zhì)量的影響，優(yōu)選了石油醚溶劑作為浸泡清洗溶液，并研究了浸泡溫度和浸泡時間對清洗質(zhì)量的影響。在石油醚浸泡的基礎(chǔ)上，優(yōu)選NaOH的乙醇溶液作為YLF系列晶體鍵合面的活化與清洗溶液，在40 ℃下浸泡30 min，不僅進(jìn)一步去除了鍵合面上的雜質(zhì)污染物，而且起到了良好的活化作用，制備出了高光學(xué)質(zhì)量的YLF/Tm：YLF/YLF鍵合激光晶體。

關(guān)鍵詞：激光晶體;YLF;鍵合面;清洗;活化技術(shù)

中圖分類號：TN248.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0121-05

Abstract： It is the key process of chemical cleaning and surface activation for the bonding of two laser crystals. To bonding different crystals is by means of several chemical cleaning and surface activation methods， respectively. The chemical cleaning and surface activation process of YLF laser crystal is studied in this work. The surface cleaning quality of YLF crystals soaking in several polar chemical reagents are compared， and the results indicates the petroleum ether is the preferred soaking solvent， the suitable immersion temperature is lower 45℃. The optical condition for activation of YLF bonding surface is immersion in NaOH ethanol solution at 40 ℃ for 30 minutes. Based on the above process， it is not only removing impurities on the surface further， but also promote the positive surface activated bonding. The high optical quality of YLF/Tm：YLF/YLF bonded laser crystals is prepared finally.

Keywords： laser crystal;YLF;bonding surface;cleanning;activation technology

由于鍵合激光晶體能減小激光工作介質(zhì)的熱效應(yīng)[1]，降低固體激光器尤其是高功率固體激光器的熱管理難度，可在同一支激光晶體元件上復(fù)合調(diào)Q、倍頻等其他功能，因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2]。通常，鍵合激光晶體由熱擴(kuò)散鍵合工藝制備，制備過程包括鍵合面光學(xué)精密加工、化學(xué)清洗與活化、光膠以及熱鍵合4個關(guān)鍵步驟[3]。針對鍵合面的化學(xué)清洗與活化，一方面需要去除晶體鍵合面殘留的油脂、拋光料等雜質(zhì);另一方面，要在鍵合面表面形成氫鍵等活性鍵，以便提高光膠后復(fù)合晶體的結(jié)合強(qiáng)度和鍵合晶體質(zhì)量。

氟化釔鋰（YLF）晶體是一種優(yōu)良的激光晶體基質(zhì)材料，其摻入適量的釹離子（Nd3+）、鈥離子（Ho3+）、銩離子（Tm3+）后可形成一系列性能優(yōu)異的不同波段的激光晶體[4]。近年來，隨著基于YLF系列激光晶體的激光器輸出功率要求的不斷提高，迫切需要采用YLF鍵合激光晶體作為增益介質(zhì)[5]。但是，YLF晶體為四方晶系，光學(xué)和熱膨脹系數(shù)各向異性，其制備過程和技術(shù)要求明顯不同于傳統(tǒng)的釔鋁石榴石（YAG）系列鍵合激光晶體[6]。特別是YLF晶體硬度較低，微溶于水，耐酸堿腐蝕能力弱于YAG等氧化物激光晶體。因此，YLF鍵合面的清洗與活化工藝無法直接引用YAG等氧化物激光晶體的鍵合面清洗與活化工藝[7]。本文針對YLF晶體的特性，設(shè)計了一系列不同的清洗溶液和清洗工藝，研究了這些清洗工藝和清洗溶液對YLF晶體鍵合面加工質(zhì)量和YLF鍵合晶體光學(xué)質(zhì)量的影響，總結(jié)了一種適合YLF鍵合晶體制備的化學(xué)清洗與活化工藝。

1 試驗方法

選取端面面積分別為5.5 mm×20.5 mm（5.5 mm厚度方向為a軸，20.5 mm寬度方向為c軸）和6.5 mm×21.5 mm（6.5 mm厚度方向為a軸，21.5 mm寬度方向為c軸）的Tm：YLF晶體和YLF晶體作為試驗樣品。采用相同的古典機(jī)械拋光工藝對Tm：YLF晶體和YLF晶體的鍵合面進(jìn)行光學(xué)精密拋光處理，拋光后的晶體放于聚四氟乙烯支架上，之后再置于不同的清洗溶液中，用不同的清洗工藝進(jìn)行清洗與活化處理。采用激光平面干涉儀測量YLF晶體鍵合面的平面度，使用原子力顯微鏡測試YLF晶體鍵合面的粗糙度，在6倍放大鏡下目視檢測鍵合面的光潔度。將表面潔凈且沒有損傷的Tm：YLF晶體和YLF晶體的鍵合面在凈化廠房內(nèi)光膠在一起，然后置于高真空鍵合爐，在590 ℃、真空度低于1×10-3 Pa的真空環(huán)境中熱處理40 h以上，制備出Tm：YLF鍵合晶體。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 清洗試劑的選擇及其對YLF鍵合面清洗質(zhì)量的影響

經(jīng)古典機(jī)械拋光后的YLF晶體鍵合面通常存在一些雜質(zhì)污染物，如切割過程中使用的冷卻液中的油脂、粘接用的有機(jī)黏合劑、殘留的無機(jī)研磨拋光料以及吸附環(huán)境中的其他雜質(zhì)等。表面污染物可以分為3類，分別是有機(jī)物質(zhì)（油脂、松香、蠟等）、無機(jī)物質(zhì)（金屬、金屬離子、氧化物或其他無機(jī)物顆粒）以及可溶性物質(zhì)（一些可溶性鹽）。制備鍵合晶體時，這些殘留的雜質(zhì)必須完全去除，否則會造成兩塊晶體無法光膠在一起或者熱鍵合過程中鍵合面出現(xiàn)氣泡和雜質(zhì)顆粒的情況。對于釔鋁石榴石（YAG）等氧化物激光晶體，一般采用帶有強(qiáng)氧化性的酸、堿溶液，結(jié)合超聲工藝實現(xiàn)鍵合面的清潔與活化。但是，由于YLF晶體能夠微溶于水、易被氧化為復(fù)合氟氧化物，且硬度低，因此傳統(tǒng)用于氧化物晶體清洗的溶液無法用于YLF晶體清洗，必須重新選擇合適的試劑。

根據(jù)相似相溶原理，如果選取的某種試劑的極性與晶體表面黏附物質(zhì)相近，可以將黏附的有機(jī)物溶解，也可以使黏附的無機(jī)物顆粒脫落，且選取的溶劑不會對YLF精加工表面造成損傷。為了對比不同極性試劑對YLF晶體表面質(zhì)量的影響和去除表面污漬的能力，本文選取了一系列不同極性的化學(xué)試劑，并浸泡YLF晶體10 min后，在強(qiáng)白光下利用6倍放大鏡觀測晶體表面的形貌。表1列出了所選擇溶劑及其浸泡YLF晶體后晶體表面的狀態(tài)。

從表1可以看出，在不同試劑中浸泡10 min后，由于水的極性太強(qiáng)，YLF晶體表面出現(xiàn)了溶解刻蝕現(xiàn)象，且出現(xiàn)了明顯劃痕等損傷，同時并沒有去除表面的污漬;幾種有機(jī)試劑對YLF晶體表面的加工質(zhì)量均沒有損傷。因此，這些有機(jī)試劑可以選作YLF晶體清洗與活化工藝的溶劑。對于極性不大于4.4的有機(jī)溶劑，不僅對YLF精密加工表面沒有損傷，而且對晶體表面的雜質(zhì)具有很好的去除效果。溶劑的極性越弱，其對油脂、黏合劑的溶解能力越強(qiáng)，可以在較短時間內(nèi)將黏附于YLF晶體表面的有機(jī)物溶解，同時使黏附在有機(jī)物上的無機(jī)物顆粒脫落進(jìn)入溶劑，達(dá)到表面潔凈的目的。但是，甲苯、氯仿等有機(jī)物易揮發(fā)、毒性較大，并不是最佳的清洗試劑。石油醚毒性相對較弱，適合用作YLF鍵合晶體的清洗試劑。

2.2 石油醚浸泡溫度和時間對YLF晶體鍵合面清洗質(zhì)量的影響

黏合劑、油脂等有機(jī)物在石油醚中的溶解度與溫度有關(guān)，其溶解程度與浸泡時間有關(guān)。為了實現(xiàn)石油醚最佳的清洗效果，對石油醚的浸泡時間和浸泡溫度進(jìn)行研究。表2列出了常溫下石油醚浸泡不同時間后，YLF和Tm：YLF晶體表面的質(zhì)量情況和光膠試驗結(jié)果。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，浸泡時間對YLF和Tm：YLF晶體鍵合面的光潔度和粗糙度幾乎沒有影響，但對光膠有明顯影響。當(dāng)浸泡時間小于30 min時，石油醚浸泡后的Tm：YLF和YLF晶體無法光膠在一起。這主要是由于浸泡時間太短，黏合劑等有機(jī)物未能完全溶解，且雜質(zhì)顆粒的存在造成兩個鍵合面無法緊密貼合。

采用油浴控溫加熱的方法將鍵合面加工好的YLF和Tm：YLF晶體在不同溫度下浸泡30 min。表3列出了利用石油醚在不同溫度下浸泡30 min后YLF晶體和Tm：YLF鍵合面的表面質(zhì)量情況和光膠試驗結(jié)果。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，隨著浸泡溫度的升高，YLF和Tm：YLF晶體鍵合面的粗糙度變大。當(dāng)浸泡溫度達(dá)到60 ℃后，晶體表面的粗糙度變化顯著且出現(xiàn)劃痕性損傷，已經(jīng)無法通過光膠連接在一起。這是由于溫度升高導(dǎo)致溶液中的液流加劇，溶解到石油醚溶液中的磨料等顆粒在液流的沖刷下對YLF晶體的鍵合面造成了損傷。當(dāng)浸泡溫度低于45 ℃時，液流較弱，不會對YLF晶體的鍵合面造成損傷。可見，較高的溫度可以提升石油醚對油脂和黏合劑的溶解度，能夠?qū)㈡I合晶體表面清洗得更加干凈。

2.3 NaOH的乙醇活化溶液對YLF鍵合面的加工質(zhì)量和鍵合的影響

對石油醚浸泡后光膠在一起的Tm：YLF/YLF晶體進(jìn)行真空熱鍵合后發(fā)現(xiàn)，Tm：YLF晶體與YLF晶體間極易發(fā)生脫開或在復(fù)合界面上極易出現(xiàn)嚴(yán)重的氣泡缺陷。由于采用石油醚溶液浸泡只能起到溶解有機(jī)污染物的作用，無法對鍵合面起到活化作用，因此光膠后的兩塊晶體間未能形成有效的氫鍵連接，結(jié)合強(qiáng)度較弱，導(dǎo)致熱鍵合過程中極易因微小的熱膨脹差異使復(fù)合界面脫開。同時，單純采用石油醚浸泡很難去除一些吸附力較強(qiáng)的污染物，特別是形成化學(xué)結(jié)合力的有機(jī)污染物。這些殘留的少量污染物會導(dǎo)致熱鍵合過程中出現(xiàn)氣泡缺陷。為了提高光膠界面的結(jié)合強(qiáng)度，必須對晶體的鍵合面進(jìn)行活化處理。通常采用強(qiáng)酸或者強(qiáng)堿性溶液浸泡，以活化晶體表面和去除雜質(zhì)。但是，對于YLF晶體來講，其微溶于水，幾乎所有的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿水溶液都會對晶體精密加工表面造成損傷。即便摩爾濃度低達(dá)5%的稀氫氟酸或者鹽酸溶液短時浸泡5 min，也會對YLF晶體表面造成侵蝕。因此，本項目選取了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH乙醇溶液作為石油醚浸泡后的活化溶液。將45 ℃石油醚浸泡30 min清洗后的YLF晶體和Tm：YLF晶體放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH乙醇溶液中，在40 ℃下浸泡30 min后取出，用大量無水乙醇沖洗干凈后，在強(qiáng)光下用放大鏡觀測。結(jié)果顯示：晶體表面光亮、潔凈且無劃痕損傷。圖1是NaOH乙醇溶液浸泡清洗前后的YLF晶體表面面形變化情況，圖2是用表面原子力顯微鏡拍攝的清洗前后的表面形貌照片。

由圖1和圖2可以看出：經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH乙醇溶液浸泡活化處理后，YLF晶體表面的平面度和粗糙度情況均未發(fā)生變化（經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH乙醇溶液浸泡處理后），YLF和Tm：YLF晶體鍵合面滿足光膠要求。

將45 ℃下經(jīng)石油醚溶劑浸泡30 min后的YLF晶體和Tm：YLF晶體用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH乙醇溶液在40 ℃下清洗活化30 min，用無水乙醇清洗干凈后，在千級凈化廠房內(nèi)光膠在一起，然后將其置于高真空鍵合爐中熱處理40 h，制備出了復(fù)合界面通透、無氣泡、無散射的Tm：YLF鍵合晶體。復(fù)合界面牢固，經(jīng)后期切割成型和研磨后鍵合面未發(fā)生脫開，說明復(fù)合界面具有較高且可以滿足應(yīng)用要求的鍵合強(qiáng)度。NaOH乙醇溶液清洗不僅去除了鍵合面上的雜質(zhì)污染物，而且對鍵合面也起到了良好的活化作用。圖3是制備的經(jīng)切割研磨整形后的YLF/Tm：YLF/YLF鍵合晶體照片。

3 結(jié)語

浸泡溶液的極性對YLF晶體鍵合面清洗效果和表面質(zhì)量具有重要影響。極性不小于4.4的有機(jī)溶劑不僅對YLF精密加工表面沒有損傷，而且對晶體表面的雜質(zhì)具有很好的去除效果，其中石油醚的效果最佳。石油醚溶液浸泡YLF晶體時，浸泡時間和浸泡溫度對鍵合面清洗的質(zhì)量均有影響。當(dāng)浸泡時間大于30 min，可以對YLF鍵合面殘留污染物起到良好的去除作用;當(dāng)浸泡溫度高于45 ℃，由于液流的沖刷作用，會對YLF系列晶體的鍵合面造成損傷。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH乙醇溶液清洗不僅可以進(jìn)一步去除殘留在YLF晶體表面的污染物，還可以對YLF晶體鍵合面起到活化作用。通過石油醚浸泡、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH乙醇溶液清洗工藝，實現(xiàn)了高質(zhì)量的光膠和鍵合，滿足制備高光學(xué)質(zhì)量YLF系列鍵合激光晶體表面清洗與活化的要求。

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