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陶瓷烧结与晶体生长制造激光材料的比较

2007-07-23 11:57
天堂的苦涩
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                                           作者: isotope  

激光陶瓷出现之前,大多数晶体激光基质材料都只能用晶体生长法(如Czochralski法)生长。这种晶体生长技术依靠熔化材料并利用籽晶使熔融材料在冷却过程中 产生结晶。Czochralski法是生产Nd:YAG最常用的商品化生长技术,是从铱坩埚内的熔融液体中利用提拉籽晶生长晶体。在晶体生长过程中,必须保持温度在YAG熔化温度(1960℃)以上。
   
生长晶体一般需要2周或者更长的时间。在晶体生长期间,坩埚杂质可能会进入到熔体中,然后进入晶体。若用Czochralski晶体生长法制备直径大于 6in的单晶毛坯,并且要求没有过大应力和结晶断口,则要攻克许多技术难关。例如,在Nd:YAG晶体生长过程中产生一个贯穿毛坯晶体中心的高应力核心区 域。毛坯中心的这种残余应力会产生不希望出现的波前畸变,因此限制了晶体的尺寸。

陶瓷烧结法比Czochralski晶体生长法有很多优点。首先是将高纯度YAG纳米粉末形成所要求的形状,然后在真空中烧结成陶瓷,整个过程只需24h。此外,陶瓷产品的尺寸只受生产设备的限制。陶瓷所具有的优良特性类似于激光玻璃, 而陶瓷的导热率和玻璃相比,有明显的增加,且有更强的耐热损伤性能。目前获得的这种具有高导热率和优质光学质量的大激光增益介质,预期会对高平均功率激光 系统以及对未来高能存储激光系统产生重要的影响。与熔液生长技术相比,陶瓷烧结技术能保持更高的掺杂浓度,这在微芯片激光器应用方面是非常重要的。晶粒尺寸小能使高浓度钕掺杂所产生的应力,以短距离在晶粒边界处减轻。此外,在母体基质材料中掺杂物质的浓度在最终的陶瓷成品中保持不变,这一点优于 Czochralski法。这是因为在Czochralski晶体生长中,较多的掺杂物质的离子通常被阻挡滞留在晶体――熔体的分界面处,导致晶体内的掺 杂物质所占的比例比熔液中的低。具有各种不同掺杂分布的陶瓷,包括在2000年证实的一种新的阶跃函数掺杂分布的盘形Yb:YAG陶瓷片。片中心是具有25%原子掺杂浓度的Yb:YAG,而其周围是没有掺杂的YAG,这种分布允许泵浦辐射有效地边耦合。

还有可能创造出复合增益介质,即这种材料包含2种或者2种以上功能的部分,诸如Nd:YAG成分与当作被动Q开关使用的Cr4+:YAG 成分的组合。使用复合材料能避免在特殊激光晶体在复合过程中所需要的不同部分之间扩散层的键合步骤,从而减少了费用和加工时间。开发研究一种快速、高性/ 价比的用于改进掺杂分布和不同成分组合的方法是激光器研究领域具有革命性的概念。这种方法/技术一旦成熟,预期能为激光系统设计提供无可比拟的灵活性。

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