激光晶体

人工晶体生长方法
§3.1 溶液法：方法简单，生长
速度慢，晶体应力小，均 匀性好 水溶液 1.1 降温法 1.2 恒温蒸发法 1.3 循环流动法
§3.2 熔体法：生长速度快，晶
体的纯度及完整性高
2.1 提拉法
2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 凝固析晶法 坩埚下降法 泡生法 浮区法 焰熔法 导模法
可调谐及超快激光器
Ti:Al2O3晶体 660-1100nm
Laser Crystal：The crystal transferring the electric energy to laser through the optical cavity
Activated ion + Matrix crystal
原料：所使用的原料的纯度要高（4N） 2）生长气氛
铱坩埚生长YVO4晶体，过多的氧气-铱坩埚氧化成为氧化铱，五价的钒离 子又会被还原成较低价态的离子（ YVO4 YVO4-x + x/2O2)，因此，一 些YVO4-x 将在晶体生长过程中进入YVO4晶体（有时使晶体带有明显的黄 色色心，即氧空位，缺氧严重时晶体可为黑色）， YVO4-x 的存在影响 YVO4 晶体的质量和均匀性，当色心严重时，会大大影响 YVO4 晶体的性 能，导致晶体不能使用。
YVO4
Nd:YVO4
激光晶体亟待解决的若干关键科学问题
• 大尺寸激光晶体生长科学和技术的基础问题； • 晶体中离子的发光特性、能量传递及其与晶格相互作用的 机理； • LD泵浦高功率密度下（104~107W/cm2）激光晶体的热效 应； • 激光损伤的微观机理：高功率密度下晶体的新物理效应 （如ASE、饱和色心）及对激光性能的影响； • 主族金属离子发光物理机制的基础科学问题。
具有以下特点的材料不能用熔体法生长：
• 1、材料在熔化前分解（KTP）； • 2、熔点太高以至在实验上不能实现； • 3、晶体生长和降温过程中发生有害的相变。
Li2O-Nb2O5相图
晶体提拉法的装置由五部分组成：
1）加热系统
电阻加热— 电阻丝、硅碳棒。成本低，可制成复杂形状 的加热器；适于低温生长。 感应加热— 干净的生长环境，控温精确，成本和运转费 用高 。
2）坩埚
• 作坩埚的材料要求化学性质稳定、纯度高，高温下机械强度高，易于加 工等，熔点要高于原料的熔点200℃左右。 • 常用的坩埚材料为铂、铱、钼、石墨、二氧化硅或其它高熔点氧化物。 其中铂、铱和钼主要用于生长氧化物类晶体。
3）传动系统
为了获得稳定的旋转和升降，传动系统由籽晶杆和升降系统组成。
4）气氛控制系统
程及优缺点）？ 6. 熔体法生长晶体的要点？ 7. 激光晶体的组成、功能和特点？
谢谢大家！
jywang@sdu.edu.cn
1. 一般要用坩埚作容器，导致熔体有不同程度的污染；
2. 当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难； 3. 不适合生长冷却过程中存在固态相变的材料
思考题
1. 晶体的定义和基本性质？
2. 为什么晶体具有固定的熔点，而非晶没有？
3. 晶体、非晶体、准晶体有何区别？
4. 单晶和多晶体的区别？
5. 水溶液生长晶体的要点（方法的选择、设备、过
优点： 1. 便于精密控制生长条件，可以较快速度获得优质大单晶； 2. 可以使用定向籽晶，选择不同取向的籽晶可以得到不同取 向的单晶体； 3. 可以方便地采用“回熔”和“缩颈”工艺，以降低晶体中 的位错密度，提高晶体的完整性； 4. 可以在晶体生长过程中直接观察生长情况，为控制晶体外 形提供了有利条件 缺点：
5）分凝 (第二章溶质的分凝和质量的传输)
有时掺质(激光晶体 )是必不可少的，但是掺质也可对晶体生长产生影响。 这 些 离子 在晶 体 生长 过程 中 的 keff 不为 1 。有 效分 凝 系数 定义 为 ： keff=cs/cl(0)。因此，生长晶体中的掺质元素的浓度分布实际上是不均匀 的，严重时会在生长的晶体中形成生长层。在实际的晶体生长中，一 般的掺质晶体的生长速度小于纯晶体的生长速度，就是为了克服掺质 效应。
Matrix crystal :Sapphire(Al2O3)Garnet(YAG)、
Yttrium Vanadate (YVO4)… Activated ion : Rare earth(Nd3+, Er3+, Yb3+,…) Transition metal(Cr3+, Ti3+,Ni3+,…)
不同晶体常需要在各种不同的气氛里进行生长。如钇铝榴石和刚玉晶体 需要在氩气气氛中进行生长。该系统由真空装置和充气装置组成。
5）后加热器
后热器可用高熔点氧化物如氧化铝、 陶瓷或多层金属反射器如钼片、 铂片等制成。 通常放在坩埚的上部，生长的晶体逐渐进入后热器，生长完毕后就在 后热器中冷却至室温。 后热器的主要作用是调节晶体和熔体之间的温度梯度，控制晶体的直 径，避免组分过冷现象引起晶体破裂。
光电功能晶体基础
第二讲 激光晶体
王继扬
爱因斯坦的电磁辐射理论 (1916)
h
E2 E1 吸收 自发辐射
h E2
E1
受激辐射
h
h
E2 E1
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The beginning
三大基础激光晶体
高功率激光器
Nd:YAG晶体 1064nm, 1340nm
低功率小型激光器 Nd:YVO4晶体 1064nm, 1340nm
1.4 水热法
1.5 助熔剂法
§3.3 气相法：生长速度慢，
晶体纯度高、完整性好，宜于薄膜 生长 3.1 升华法 3.2 反应法 3.3 热解法
§3.4 固相法: (高温高压技术)主
要靠固体材料中的扩散使非晶或多晶 转变为单晶，由于扩散速度小，不宜 于生长大块晶体 高压法、再结晶法
熔体法
许多物质在常温下是固体，当温度升到熔点以上时就熔化 为液体。这种常温下是固态的纯物质的液相称为熔体。 从熔体中生长晶体是制备大单晶 和特定形状的单晶最常用和最重 要的一种方法。电子学、光学等 现代技术应用中所需的单晶材料， 大部分是用熔体生长方法制备的。 如：Si、Ge、GaAs、LiNbO3、 Nd:YAG、Al2O3等 硅单晶年产量约1x108Kg（即1万 吨，1997年）
3）温场
温场设计是得到优质晶体的基础。合适的温场是根据晶体的性能和生长 习性来确定的。
4）籽晶
选用高质量的籽晶是减少位错等缺陷继承到生长晶体中十分重要的。籽 晶本身有许多缺陷在生长晶体一般采用缩颈工艺减少缺陷的产生。 选取适当方向籽晶是获得完整晶体十分重要的手段。因为不同结晶学取 向生长的晶体，其结晶完整性有可能是不同的，如用Y方向的Nd:YCOB 籽晶生长 Nd:YCOB 晶体，就容易得到高质量完整性单晶，而用其它方 向的籽晶生长晶体，得到的晶体易出现开裂和散射颗粒等缺陷。
结晶界面宏观及微观形貌是 决定结晶质量的关键
L S L S L S
宏观：
凹面：易形成偏析；不利于获得单晶 平面：可控制径向偏析，较易获得单晶 凸面：利于获得单晶，但易形成偏析
宏观形貌：传热、传质、对流耦合作用 微观形貌：局部温度梯度、生长速率、晶 体结构、成分
微观：平界面是获得 高性能晶体的关键
影响晶体完整性的主要原因和改善途径
1）同成分熔化化合物的二元相图
2）生长的晶体与熔体成分不同（二元或多元体系） • 掺杂的元素或化合物 • 非同成分熔化的化合物 • 熔点随成分变化，得到均匀单晶较困难； • 有时出现共晶或包晶反应,使单晶生长受到破坏。
熔化时成分改变 在y点： AB=A+L 包晶反应
掺NiO的MgO固溶体
固液非同成分熔化化合物的二元相图
1）生长设备和原料 生长设备的要求： 机械装置具有均匀的转动和移动性能，才能使晶体
生长具有稳定的生长界面和生长速率。 在晶体百度文库长过程中需要保持界面的温度稳定性，也要求温度的控制精度较 高，因此较为先进的控制设备也是生长优质晶体所必需的。如目前提拉法 生长晶体用的是欧陆（EUROTHERM) 控温系统。