[发明专利]一种大尺寸掺钛蓝宝石激光晶体及其制造工艺

说明书

本发明公开的掺钛蓝宝石激光晶体的制造工艺包括前期设计、制备粉末状的二氧化钛/氧化铝(TiO2/Al2O3)混合物、装填原料、加热熔料、引晶和生长、切离和降温退火等步骤，关键在于使用物理或化学方法制备了二氧化钛/氧化铝(TiO2/Al2O3)混合物，使用了布儒斯特角方向的圆形籽晶作为晶种，并合理控制了原料装填方式和晶体的引晶方式，制造产出的晶体重量为100kg±3kg，晶体沿光轴方向的角度为60.4°，钛离子(Ti4+)含量为0.35‑0.5％(重量百分比)，可以按照布儒斯特角进行定向切割、加工并直接应用于激光器件，还可以按客户需求制造钛离子(Ti4+)含量不同的掺钛蓝宝石激光晶体，满足激光器件的市场需求。

技术领域

本发明属于激光晶体制造领域，特别涉及一种大尺寸掺钛蓝宝石激光晶体及其制造工艺。

背景技术

激光晶体是固体激光技术发展的核心和基础，由基质和发光中心组成，通过特殊的制造工艺将金属激活离子作为发光中心掺入人工晶体制造而成。

一、掺杂激光晶体的制造工艺

掺杂激光晶体的制造方法包括：溶液法、水热法、高温溶液法、熔体生长法(如提拉法、焰熔法、热交换法和导模法)，其中，提拉法被广泛应用于制造掺杂激光晶体。

提拉法制造掺杂激光晶体的主要步骤包括：

第一步：准备原料：包括准备晶体(即基质)的原材料和金属激活离子(激发光中心) 的原材料；第二步：设备和加热条件的准备：包括设备外壳、保温层、加热系统等；第三步：制造工艺的初步设计与实验方案的确定，关键需确定加热功率、引晶速率、温度和时间等因素；第四步：引晶和生长，直到原料转化为预定重量的晶体；第五步：切离，人工操作籽晶轴使晶体脱离生长环境；第六步：降温，对晶体进行冷却处理。

二、激光晶体的分类

激光晶体根据金属激活离子发光中心的不同，分为四类：第一类为三价稀土金属离子掺杂晶体，第二类为二价稀土离子掺杂晶体，第三类为锕系金属离子掺杂晶体，第四类为过渡金属离子掺杂晶体。其中，第四类的过渡金属离子具体包括铬(Cr3+)、钛(Ti4+)、镍(Ni2+)、钴(Co2+)等，此类离子的特点是激活离子的未满电子壳层为最外层电子壳层，缺少屏蔽作用，能级和发光特性受基质晶体场影响较明显，与非掺杂时的自由金属离子情况差别较大。

激光晶体的基质材料必须满足四方面的要求：(1)光学性质良好；(2)机械和热性质优异，在承受重复脉冲和工作热负荷时不会引起过度应力；(3)具有能够接受掺杂离子的位置，使掺杂离子处在对称的强晶格场中，以感应所目标光谱，且辐射寿命较长，满足激发截面约 10-20cm2；(4)必须在满足规模化制造的同时，保持较高的光学质量和产率。激光晶体按照基质类型与适用性能的不同，大致可分为：石榴石型、磷灰石型、氟化物型、倍半氧化物型和含氧酸盐型，其中，蓝宝石型是目前国内外的研究重点。