2021年度YAG基质激光晶体生长讲义.ppt

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
YAG基质激光晶体生长
2021/1/5
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Nd：YAG
Nd：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，～％，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 。
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激光的波长为1064 nm，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8 mm左右，因而能对较深部位的血管瘤发挥治疗作用
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Nd：YAG晶体生长方法
提拉法
布里奇曼法
导向温度梯度法
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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、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。
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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
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提拉法生长Nd:YAG
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 φ75mm Nd:YAG 晶体；不久，φ100mm 的Nd:YAG 晶体又相继问世
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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
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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±%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
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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式完成
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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
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