[发明专利]大尺寸稀土掺杂氟化钇钡单晶生长方法

说明书

技术领域

本发明属于晶体生长领域，特别涉及一种稀土掺杂氟化钇钡Re：BaY₂F₈晶体，尤其是单晶尺寸大于50mm以上的大尺寸氟化物单晶生长方法。

背景技术

近年来稀土掺杂的上转换和激光材料在激光、光显示、大气监测、激光遥感、成像、激光医疗、激光雷达等领域具有广泛的应用前景而受到高度关注。稀土掺杂氟化钇钡晶体（Re:BaY₂F₈，Re：BYF）属于单斜晶系，双轴晶体。该晶体具有低的声子能量（最大声子能量415cm^－1），光谱透过范围宽（0.12～12µm），生长的晶体具有直接输出中红外波段激光和较高的转换效率。其广泛用在红外的固体激光器、探测领域。合适的基质材料是高发光效率的关键条件。氟化物晶体具有较低的声子能量（最大声子能量415cm^－1），光谱透过范围宽（0.12～12µm）有利于泵浦和中红外出激光，稀土掺杂的氟化物晶体具有低的无辐射多声子驰豫和相对较长的中间态荧光寿命，是一种较好的基质材料。但如果在原料合成中有组分偏离、吸水等问题会造成不一致挥发，在熔融状态下形成漂浮物，且晶体表面不透明，因此避免漂浮物形成和晶体不透明，生长的关键是采用氩气、氟气或四氟化碳等一种或多种混合气体生长气氛。相对于高温氧化物晶体，氟化物晶体的熔点要低得多,采用传统的熔体生长法，如提拉法(Czocharalski, Cz)、坩埚下降法(Bridgman)、温度梯度法(Temperature gradient technique, TGT)、KY凯罗泡生法等,很容易获得大尺寸氟化物单晶。氟化物熔点低，高温流动性差，存在生长大尺寸氟化物晶体驱动力不足，生长出的晶体易开裂等问题。

提拉法是目前生长高质量晶体应用最为广泛的方法之一，它的优点在于生长过程可以方便地观察晶体状况，生长速率快，晶体不与坩埚接触，生长时不会产生寄生成核而形成多晶，但是氟化物熔点低，不适合提拉法生长大尺寸晶体材料。提拉法加热方式采用中高频感应加热，其坩埚材料一般为铱金或铂金，成本高。

坩埚下降法也是目前生长大尺寸碱土氟化物晶体所采用最广泛的一种生长方法。实际上早在1936年采用坩埚下降法就已经获得了人工生长的CaF₂单晶，但是，随着激光对紫外和中红外线波长的需求，对氟化物晶体的质量和尺寸都提出了很高的要求。该方法采用全封闭的坩埚，并适合大尺寸、多数量晶体的生长，其优点是操作工艺简单、易于实现程序化、自动化。但该方法的不足之处在于整个生长过程无法观测，生长过程中不能实时调整，且生长周期长，对生长条件要求苛刻。

温度梯度法可以避免因不规则机械振动源的干扰给熔体造成复杂对流和固-液界面的温度波动，因而所生长的晶体质量和单晶率要优于坩埚下降法，但是由于晶体生长过程完全靠扩散运输，晶体生长相对缓慢，生长晶体与温场之间没有相对移动，限制了晶体的高度；传统的顶部籽晶法生长过程中籽晶旋转，没有向上提拉生，生长周期长，同时该方法采用全封闭的坩埚，整个生长过程不可见，且其加热方式采用石墨加热，坩埚一般为石墨坩埚，石墨挥发会影响生长晶体质量。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种生长过程中可以实时调整，生长周期短，生长速率高，材率高成本低，能够有效促进大尺寸晶体生长，并能明显改善晶体质量的稀土掺杂氟化钇钡晶体的生长方法，以克服氟化物熔体流动性能差造成晶体生长困难、晶体中气泡多等生长不利因素。