專利名稱：一種將單端生長型復合晶體熱鍵合為雙端生長型復合晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光晶體加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種將單端生長型復合晶體 熱鍵合為雙端生長型復合晶體的方法。
背景技術(shù)：
激光二極管端面泵浦的固體激光器，在泵浦功率比較高的情況下，使用熱 鍵合激光晶體，可以有效的降低激光晶體內(nèi)部的溫度梯度和端面形變，進而減 小激光晶體的熱透鏡效應(yīng)。但是如果繼續(xù)增加泵浦功率，晶體的熱鍵合連接處 的溫度升高，會導致熱鍵合連接處斷裂，激光晶體無法繼續(xù)使用的嚴重后果。 針對上述問題，近年來出現(xiàn)了生長型的復合晶體(或稱原生型復合晶體)，與傳 統(tǒng)的熱鍵合復合晶體相比，生長型復合晶體具有更高的抗光傷閾值。
生長型復合晶體根據(jù)其工作方式的不同，可以分為單端生長型復合晶體和 雙端生長型復合晶體。單端生長型復合晶體的生長工藝相對簡單，而且即使晶 體已經(jīng)生長完成，也可以通過拋光的手段，根據(jù)需要靈活確定摻雜區(qū)和不摻雜 區(qū)的長度。但是雙端生長型復合晶體的生長工藝比較復雜，而且在晶體生長過 程中摻雜區(qū)的長度就已經(jīng)確定了，缺乏通用性，因此造價較高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種將單端生長型復合晶體 熱鍵合為雙端生長型復合晶體的方法。
將單端生長型復合晶體熱鍵合為雙端生長型復合晶體的方法包括如下步
驟
1) 選擇兩塊單端生長型的復合晶體，單端生長型的復合晶體包括摻雜區(qū)和 不摻雜區(qū)，不摻雜區(qū)的長度為0.1mm 20mm，晶體切割方向為a-cut或者c-cut， 摻雜濃度為0.01 10 at.%;
2) 設(shè)定雙端生長型復合晶體的摻雜區(qū)的長度為d2，雙端生長型復合晶體一
端的不摻雜區(qū)的長度為dp雙端生長型復合晶體另一端的不摻雜區(qū)的長度為d3。 通過拋光的方法確定兩塊單端生長型的復合晶體的長度，其中， 一塊單端生長 型復合晶體的不摻雜區(qū)的長度為d/ ，摻雜區(qū)長度為d2'，另一塊單端生長型復 合晶體的不摻雜區(qū)的長度為d3'，摻雜區(qū)長度為d2'，且滿足以下條件d/二山， d3 = d3， d2 + d2 二 d2
3) 將兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū)一端的端面進行精細拋光，在室溫下相互接觸，晶體的光軸相互重合，然后進行熱處理，熱處理過程中使用的溫
度范圍為所鍵合晶體中熔點較低的那塊晶體的熔點的0.1 0.9倍，高溫保持的 時間在4 80小時,通過熱鍵合的工藝方法將兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū) 連接在一起。所述的單端生長型的復合晶體為YAG晶體、YV04晶體、GdV04 晶體、YAP晶體或者YLF晶體。摻雜區(qū)的摻雜離子為Nd3+， Er3+, Ho3+， Ce3+, Tm3+, Pr3+， Gd3+, Eu3+， Yb3+， Sm2+, Dy2+, Tm2+, Cr3+, Ni2+, Co2+, T產(chǎn)或者￥2+離子。單端生 長型的復合晶體橫截面為矩形或者圓形。橫截面為矩形的尺寸為lxlmm 20x20mm。橫截面為圓形的直徑為lmm 20mm。
本發(fā)明可以方便地根據(jù)需要確定雙端生長型復合晶體中摻雜區(qū)的長度，提高 通用性，降低生產(chǎn)成本。只需掌握單端生長型復合晶體的生長工藝，配合成熟 的熱鍵合工藝，就可以獲得雙端生長型復合晶體，降低了雙端生長型復合晶體 的工藝難度。
圖l是設(shè)定的雙端生長型復合晶體的結(jié)構(gòu)和尺寸示意圖2是本發(fā)明用于熱鍵合的兩塊單端生長型復合晶體的結(jié)構(gòu)和尺寸示意圖； 圖3是兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū)通過熱鍵合的方法連接在一起的 效果示意圖4是熱鍵合的雙端生長型復合晶體的波前干涉圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的原理是將兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū)通過熱鍵合的方法 連接在一起，由于熱鍵合連接處的發(fā)熱量較小，這樣即使在泵浦功率很大的情 況下熱鍵合處也不易斷裂，從而使熱鍵合后晶體的特性等同或接近于雙端生長 型復合晶體，降低雙端生長型復合晶體的工藝難度和產(chǎn)品的通用性。同時，可 以通過拋光的方法控制兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū)長度，從而最終方便 地控制雙端生長型復合晶體的摻雜區(qū)長度。熱鍵合方法首先是將兩塊經(jīng)過精細 拋光的晶體在室溫的條件下緊貼在一起。晶體表面經(jīng)過處理后，可以獲得親水 性表面，兩個加工精度高和粗糙度細的親水性表面可以依靠氫鍵的作用在室溫 下相互吸引，形成光膠。然后是熱處理過程，將光膠后的晶體放入加熱爐中保 持4 80小時。隨著溫度的升高，離子和空穴在交界面上的擴散逐漸加劇，而且
由于表面有很多懸空鍵，可以經(jīng)過一定時間的晶格調(diào)整和重構(gòu)，最后形成永久 性鍵合。實驗證明，鍵合過程本身不會引入任何的光學不均勻性，不會造成輸 出光束質(zhì)量的降低。將單端生長型復合晶體熱鍵合為雙端生長型復合晶體的方法包括如下步
驟
1) 選擇兩塊單端生長型的復合晶體，單端生長型的復合晶體包括摻雜區(qū)和 不摻雜區(qū)，不摻雜區(qū)的長度為0.1mm 20mm，晶體切割方向為a-cut或者c-cut, 摻雜濃度為0.01 10 at.%;
2) 設(shè)定雙端生長型復合晶體的摻雜區(qū)的長度為d2，雙端生長型復合晶體一 端的不摻雜區(qū)的長度為山，雙端生長型復合晶體另一端的不摻雜區(qū)的長度為d3， 通過拋光的方法確定兩塊單端生長型的復合晶體的長度，其中， 一塊單端生長 型復合晶體的不摻雜區(qū)的長度為d/ ，摻雜區(qū)長度為d2'，另一塊單端生長型復
合晶體的不摻雜區(qū)的長度為《，摻雜區(qū)長度為d2'，且滿足以下條件dt'二 dp d3 = d3， d2 + d2 = d2
3) 將兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū)一端的端面進行精細拋光，在室溫 下相互接觸，晶體的光軸相互重合，然后進行熱處理，熱處理過程中使用的溫 度范圍為所鍵合晶體中熔點較低的那塊晶體的熔點的0.1 0.9倍，高溫保持的 時間在4 80小時,通過熱鍵合的工藝方法將兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū) 連接在一起。
所述的單端生長型的復合晶體為YAG晶體、YV04晶體、GdV04晶體、YAP 晶體或者YLF晶體。摻雜區(qū)的摻雜離子為Nd3+， Er3+, Ho3+, Ce3+, Tm3+, Pr3+, Gd3+， Eu3+， Yb3+, Sm2+， Dy2+, Tm2+, Cr3+, Ni2+， Co2+， T產(chǎn)或者￥2+離子。單端生長型的復 合晶體橫截面為矩形或者圓形。橫截面為矩形的尺寸為lxlmm 20x20mm。橫 截面為圓形的直徑為lmm 20mm。
下面根據(jù)具體實施例進一步說明本發(fā)明。 實施例l:
1) 選擇兩塊單端生長型的復合晶體，單端生長型的復合晶體包括摻雜區(qū)和 不慘雜區(qū)(Nd:YAG+YAG晶體，或者Nd:YV04+YV04晶體，或者 Nd:GdV04+GdV04晶體，或者Nd:YAP+YAP晶體，或者Nd:YLF+YLF晶體)，不 摻雜區(qū)的長度為O.lmm，晶體切割方向為a-ciit或者c-cut,摻雜區(qū)忖(13+離子的摻 雜濃度均為0.01 at.%，晶體橫截面均為矩形或者圓形，橫截面為矩形的尺寸為 lmmxlmm，橫截面為圓形的直徑為lmm。；
2) 設(shè)定雙端生長型復合晶體的摻雜區(qū)的長度為(12= 16mm，雙端生長型復 合晶體一端的不摻雜區(qū)的長度為山二O.lmm，雙端生長型復合晶體另一端的不摻 雜區(qū)的長度為d3-0.1mm，通過拋光的方法確定兩塊單端生長型的復合晶體的長度，其中， 一塊單端生長型復合晶體的不摻雜區(qū)的長度為d,;0.1mm ，摻雜區(qū) 長度為d2= 8mm ，另一塊單端生長型復合晶體的不摻雜區(qū)的長度為d3 = 0.1mm ，摻雜區(qū)長度為d2 = 8mm，從而滿足以下條件d/二 d,， d3'= d3， d2' + d2 = d2
3)將兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū)一端的端面進行精細拋光，光潔度 小于10/5，用化學試劑對表面嚴格清潔，然后把兩塊晶體經(jīng)精細拋光的端面輕輕 地接觸，實現(xiàn)光膠。然后進行熱處理，熱處理過程中使用的溫度范圍為所鍵合晶 體的熔點的0.1倍，高溫保持的時間在4小時,通過熱鍵合的工藝方法將兩塊單 端生長型復合晶體的摻雜區(qū)連接在一起。 實施例2:
1) 選擇兩塊單端生長型的復合晶體，單端生長型的復合晶體包括摻雜區(qū)和 不慘雜區(qū)(Nd:YAG+YAG 晶體，或者Nd:YV04+YV04晶體，或者 Nd:GdV04+GdV04晶體，或者Nd:YAP+YAP晶體，或者Nd:YLF+YLF晶體)，不 摻雜區(qū)的長度為20mm，晶體切割方向為a-cut或者c-cut,摻雜區(qū)Nc^離子的摻 雜濃度均為10 at.%,晶體橫截面均為矩形或者圓形，橫截面為矩形的尺寸為 20mmx20mm，橫截面為圓形的直徑為20mm。；
2) 設(shè)定雙端生長型復合晶體的摻雜區(qū)的長度為(12= 16mm，雙端生長型復 合晶體一端的不摻雜區(qū)的長度為d^20mm，雙端生長型復合晶體另一端的不摻 雜區(qū)的長度為d3 = 20mm，通過拋光的方法確定兩塊單端生長型的復合晶體的長 度，其中， 一塊單端生長型復合晶體的不摻雜區(qū)的長度為dr二 20mm ，摻雜區(qū) 長度為d2'= 8mm ，另一塊單端生長型復合晶體的不摻雜區(qū)的長度為d3'-20mm ，摻雜區(qū)長度為d2"= 8mm，從而滿足以下條件山'二 d,， d3'= d3， d2' + d2"= d2
3) 將兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū)一端的端面進行精細拋光，光潔度 小于10/5,用化學試劑對表面嚴格清潔，然后把兩塊晶體經(jīng)精細拋光的端面輕輕 地接觸，實現(xiàn)光膠。然后進行熱處理，熱處理過程中使用的溫度范圍為所鍵合晶 體的熔點的0.9倍，高溫保持的時間在80小時，通過熱鍵合的工藝方法將兩塊單 端生長型復合晶體的摻雜區(qū)連接在一起。
實施例3:
實驗中制備了兩塊單端生長型復合晶體(YV04+Nd:YV04)，摻雜區(qū)Nc^+離 子的慘雜濃度均為0.3at.。/。，晶體橫截面均為矩形，尺寸均為3mmx3mm，晶體長 度均為10mm,其中一塊單端生長型復合晶體的不摻雜區(qū)的長度為(11 = 2111111 ，
6摻雜區(qū)長度為d2'^ 8mm ，另一塊單端生長型復合晶體的不摻雜區(qū)的長度為(13 = 2mm ，摻雜區(qū)長度為d2 = 8mm。兩塊單端生長型復合晶體的切割方向均為a-cut， 通光面a面拋光，平行度小于6"。對兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū)一端的端面 進行精細拋光，光潔度小于10/5，用化學試劑對表面嚴格清潔，然后把兩塊晶體經(jīng) 精細拋光的端面輕輕地接觸,實現(xiàn)光膠。把光膠后晶體放在加熱爐中均勻加熱， 溫度從室溫緩慢升到75(TC，保持恒溫60小時,然后再緩慢降到室溫，即實現(xiàn)了對
兩塊單端生長型復合晶體的熱鍵合。熱鍵合后的晶體從性質(zhì)上接近于雙端生長 型復合晶體，等效的雙端生長型復合晶體的摻雜區(qū)的長度為(12= 16mm,其一端 的不摻雜區(qū)的長度為山=2mm，另一端的不摻雜區(qū)的長度為d3 = 2mm。
實驗中通過檢測晶體波前干涉圖樣的方法檢測了熱鍵合晶體的質(zhì)量。對實 驗中的熱鍵合晶體的通光面重新拋光,采用干涉儀測量了熱鍵合晶體的波前特性, 干涉圖樣如圖4所示。測得波前干涉圖樣的峰-峰值為0.08X(X為測試光的波長 632.8nm)。通過波前干涉圖發(fā)現(xiàn),鍵合晶體具有良好的波前干涉特性，沒有引入任 何的光學不均勻性，因此不會造成光束質(zhì)量的降低。
權(quán)利要求
1.一種將單端生長型復合晶體熱鍵合為雙端生長型復合晶體的方法，其特征在于包括如下步驟1)選擇兩塊單端生長型的復合晶體，單端生長型的復合晶體包括摻雜區(qū)和不摻雜區(qū)，不摻雜區(qū)的長度為0.1mm～20mm，晶體切割方向為a-cut或者c-cut，摻雜濃度為0.01～10at.％；2)設(shè)定雙端生長型復合晶體的摻雜區(qū)的長度為d2，雙端生長型復合晶體一端的不摻雜區(qū)的長度為d1，雙端生長型復合晶體另一端的不摻雜區(qū)的長度為d3，通過拋光的方法確定兩塊單端生長型的復合晶體的長度，其中，一塊單端生長型復合晶體的不摻雜區(qū)的長度為d1’，摻雜區(qū)長度為d2’，另一塊單端生長型復合晶體的不摻雜區(qū)的長度為d3’，摻雜區(qū)長度為d2”，且滿足以下條件d1’＝d1，d3’＝d3，d2’+d2”＝d23)將兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū)一端的端面進行精細拋光，在室溫下相互接觸，晶體的光軸相互重合，然后進行熱處理，熱處理過程中使用的溫度范圍為所鍵合晶體中熔點較低的那塊晶體的熔點的0.1～0.9倍，高溫保持的時間在4～80小時，通過熱鍵合的工藝方法將兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū)連接在一起。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種將單端生長型復合晶體熱鍵合為雙端生長型 復合晶體的方法，其特征在于所述的單端生長型的復合晶體為YAG晶體、YV04 晶體、GdV04晶體、YAP晶體或者YLF晶體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種將單端生長型復合晶體熱鍵合為雙端生長型 復合晶體的方法，其特征在于所述的摻雜區(qū)的摻雜離子為Nd3+, Er3+， Ho3+, Ce3+， Tm3+, Pr3+, Gd3+, Eu3+， Yb3+, Sm2+, Dy2+, Tm2+, Cr3+, Ni2+, Co2+, T產(chǎn)或者￥2+離子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種將單端生長型復合晶體熱鍵合為雙端生長型 復合晶體的方法，其特征在于所述的單端生長型的復合晶體橫截面為矩形或者 圓形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種將單端生長型復合晶體熱鍵合為雙端生長型 復合晶體的方法，其特征在于所述的橫截面為矩形的尺寸為lxlmm 20x20mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種將單端生長型復合晶體熱鍵合為雙端生長型 復合晶體的方法，其特征在于所述的橫截面為圓形的直徑為lmm 20mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將單端生長型復合晶體熱鍵合為雙端生長型復合晶體的方法。包括如下步驟1)選擇兩塊單端生長型的復合晶體，單端生長型的復合晶體包括摻雜區(qū)和不摻雜區(qū)；2)設(shè)定雙端生長型復合晶體的摻雜區(qū)的長度為d<sub>2</sub>，雙端生長型復合晶體一端的不摻雜區(qū)的長度為d<sub>1</sub>，雙端生長型復合晶體另一端的不摻雜區(qū)的長度為d<sub>3</sub>，通過拋光的方法確定兩塊單端生長型的復合晶體的長度；3)通過熱鍵合的工藝方法將兩塊單端生長型復合晶體的摻雜區(qū)連接在一起。本發(fā)明提高通用性，降低生產(chǎn)成本。只需掌握單端生長型復合晶體的生長工藝，配合成熟的熱鍵合工藝，就可以獲得雙端生長型復合晶體，降低了雙端生長型復合晶體的工藝難度。
文檔編號C30B33/06GK101565857SQ20091009897
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者崇 劉, 淼 胡, 葛劍虹, 震 項 申請人:浙江大學