采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法
阅读说明：本技术 采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法 (Method for growing emerald gem crystal by Czochralski method ) 是由 王世武 许辉 李瑞茂 聂奕 于 2021-03-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及激光晶体制造技术领域,尤其涉及一种采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法,采用提拉法籽晶定向生长,包括如下步骤：接种、放肩、等径生长、收尾及降温,最终得到翠绿宝石晶体,所得到翠绿宝石晶体利用率达到80％。本发明中当收尾结束后停止旋转和提拉并开始降温,通过P I D调节功率实现对晶体生长速率的控制,从而实现对晶体结晶速度的控制。本发明具有生长速度可控、生长尺寸大、重复性好的优点,适合工业化生产翠绿宝石晶体。(The invention relates to the technical field of laser crystal manufacturing, in particular to a method for growing emerald diamond crystals by adopting a pulling method, which adopts a pulling method to carry out seed crystal directional growth and comprises the following steps: inoculating, shouldering, growing in an equal diameter, ending and cooling to finally obtain the emerald diamond crystal, wherein the utilization rate of the obtained emerald diamond crystal reaches 80%. In the invention, after ending, the rotation and the pulling are stopped and the temperature is reduced, and the crystal growth rate is controlled by adjusting the power through P ID, thereby realizing the control of the crystal crystallization speed. The method has the advantages of controllable growth speed, large growth size and good repeatability, and is suitable for industrial production of emerald precious stone crystals.)
技术领域
本发明涉及激光晶体制造
技术领域
，尤其涉及一种采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法。背景技术
翠绿宝石晶体制作的激光器，应用范围很广，涉及科学研究、军事、医疗、大气测量、光电子技术等领域。
翠绿宝石晶体生长较为困难，难以获得高质量大尺寸的晶体。虽经过科研单位多年的研究，但仍未取得重大突破，生长的翠绿宝石晶体质量差，晶体形状扁平，利用率几乎为零，翠绿宝石晶体生长工艺不完善。
发明内容
本发明针对上述存在的技术问题，提供了一种采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法，该方法解决了目前虽经过科研单位多年的研究，但仍未取得重大突破，生长的翠绿宝石晶体质量差，晶体形状扁平，利用率几乎为零，翠绿宝石晶体生长工艺不完善的技术难题。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法，进行提拉法籽晶定向生长，包括如下步骤：
接种：接种前先对籽晶进行旋转，利用ccd相机实时观察接种情况，接种时，观察软件所示重量曲线变化，曲线呈水平直线，开始提拉；
放肩：放肩过程中，晶体直径d从5～10mm逐步生长到坩埚直径的50～70％，晶体直径d随放肩长度L做线性变化；
等径生长：等径生长过程中，根据晶体在单位时间内生长的质量变化情况，通过PID算法对加热功率进行反馈控制，实现晶体生长速度的主动控制，使晶体的重量符合设计外形计算得到的重量；
收尾：等径生长长度达到设计要求后开始收尾，收尾过程中通过PID调整功率使晶体直径开始缩小，收尾生长结束；
降温：待晶体温度降至室温得到翠绿宝石晶体。
在其中一些实施例中，籽晶为截面为5×5～10×10mm长方体籽晶。
在其中一些实施例中，接种过程中接种前籽晶按2～20rpm的速度进行旋转；接种过程中的提拉速度按0.2～2mm/h。
在其中一些实施例中，放肩的具体步骤包括：
将晶体按0.2～2mm/h提拉至晶体直径d为坩埚直径D的50～70％，晶体长度和直径比控制在1：1，在向上提拉过程中，晶体按2～20rpm的速度进行旋转；
上述步骤得到的晶体的直径比晶体长度大于10～15mm左右时，控制晶体开始等径。
在其中一些实施例中，其中晶体直径d满足50mm<d<100mm,放肩长度L满足 50mm<L<70mm。
在其中一些实施例中，收尾生长结束后，晶体直径为等径直径的60～80％, 收尾长度为放肩长度的40～60％。
在其中一些实施例中，降温的具体步骤为：
生长结束后，进入降温阶段，停止旋转，在结束生长的当前功率下20分钟降500w；
上述步骤结束后，功率按照200～300w/h的速度经72～96h从当前功率降至为 0，降温程序结束后，待晶体温度降至室温。
采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法，晶体整个生长过程采用红外CCD相机实时观测晶体生长情况。
在其中一些实施例中，提供了一种翠绿宝石晶体，采用如上所述的采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法来制备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明综合了提拉法的可控性、重复性好的全自动控制的优点，是一种新型的翠绿宝石晶体生长方法，适合工业化批量生产翠绿宝石晶体，是一种采用提拉法生长翠绿宝石晶体的熔体法晶体生长方法。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的翠绿宝石晶体XRD测试图；
图2为根据本发明实施例提供的翠绿宝石晶体的劳厄衍射图谱；
图3为根据本发明实施例提供的采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法制得的翠绿宝石晶体实物图；
图4为根据本发明实施例提供的采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法制得的翠绿宝石晶体出光测试结果图；
图5为根据本发明实施例提供的采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法制得的翠绿宝石晶体出光测试结果图；
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述，为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法，下面将结合具体实施例进行描述。
本实施例提供了一种采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法，进行提拉法籽晶定向生长，包括如下步骤：
接种：接种前先对籽晶进行旋转，利用ccd相机实时观察接种情况，接种时，观察软件所示重量曲线变化，曲线呈水平直线，开始提拉；
放肩：放肩过程中，晶体直径d从5～10mm逐步生长到坩埚直径的50～70％，晶体直径d随放肩长度L做线性变化；
等径生长：等径生长过程中，根据晶体在单位时间内生长的质量变化情况，通过PID算法对加热功率进行反馈控制，实现晶体生长速度的主动控制，使晶体的重量符合设计外形计算得到的重量；
收尾：等径生长长度达到设计要求后开始收尾，收尾过程中通过PID调整功率使晶体直径开始缩小，收尾生长结束；
降温：待晶体温度降至室温得到翠绿宝石晶体。
其中，籽晶为截面为5×5～10×10mm长方体籽晶。
其中，接种过程中接种前籽晶按2～20rpm的速度进行旋转；接种过程中的提拉速度按0.2～2mm/h。
其中，放肩的具体步骤包括：
将晶体按0.2～2mm/h提拉至晶体直径d为坩埚直径D的50～70％，晶体长度和直径比控制在1：1，在向上提拉过程中，晶体按2～20rpm的速度进行旋转；
上述步骤得到的晶体的直径比晶体长度大于10～15mm左右时，控制晶体开始等径。
其中晶体直径d满足50mm<d<100mm,放肩长度L满足50mm<L<70mm。
在本实施例中，收尾生长结束后，晶体直径为等径直径的60～80％,收尾长度为放肩长度的40～60％。
其中，降温的具体步骤为：
生长结束后，进入降温阶段，停止旋转，在结束生长的当前功率下20分钟降500w；
上述步骤结束后，功率按照200～300w/h的速度经72～96h从当前功率降至为 0，降温程序结束后，待晶体温度降至室温。
本实施例中，所述的采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法，晶体整个生长过程采用红外CCD相机实时观测晶体生长情况。
本实施例中还提供了一种翠绿宝石晶体，采用如上所述的采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法来制备。
使用本实施例提供的采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法生长Φ84mm的翠绿宝石晶体过程如下：
采用Φ150mm×150mm的铱金坩埚，以中电科26所的JGD提拉单晶炉系统来生长，其中翠绿宝石晶体原料投料重量为5.8kg，籽晶为<001> 方向、尺寸为6mm×6mm×80mm的长方体翠绿宝石晶体。
将原料在单晶炉中充分熔化后，降熔体中心的温度降到1870℃，将翠绿宝石晶体籽晶加入熔体中，以1.6mm/h的速度从直径Φ12mm开始生长，转速固定在18rpm，晶体放肩曲线为2ndhalfspline，放肩长度为70mm，等径直径设定为84mm，等径长度设置为140mm，收尾直径设置为60mm，收尾长度设置为30mm。根据外形设计和晶体密度参数，通过软件计算出单位生长速度，用PID算法对加热功率进行反馈控制，调控晶体的生长，使晶体在整个生长过程中保持1.6mm/h的速度生长。化料时间3～5天，生长时间为6.25天，降温时间为7天，即18天即可完成 3.8kg的Φ84mm的翠绿宝石晶体生长。
晶体测试结果如下：
采用532nm激光器照射，晶体发出明显的红光，内部无明显的光路和散射。在应力仪下观察晶体透明且均匀，无明显应力分布。如图 1-2所示，对晶体进行了常规XRD和劳厄衍射测试，其中XRD扫描范围为10°～80°，步长为0.02°；劳厄测衍射试所用样品未定向，所用衍射光束光斑直径为300μm左右。
XRD扫描可以看出晶体在10°～80°的扫描范围内仅有一个特征峰，这与单晶样品平行表面的特征峰对应，但峰的半高宽较宽，可能是由于噪音太强的缘故。
从劳厄衍射图谱可以看到清晰的对称排列的衍射斑点，结合XRD 图谱信息可初步推断晶体为单晶样品。
采用本发明实施例提供的采用提拉法生长翠绿宝石晶体的方法所生长翠绿宝石晶体在生长过程中能够完美控制晶体直径，生长晶体外形跟设计外形保持高度一致。如图3所示，尺寸等径部分达到Φ84 ×140mm，利用率达到80％以上，获得商业化应用的大尺寸优质的翠绿宝石晶体。
本发明实施例提供的采用翠绿宝石晶体棒出光测试结果如图4、图 5所示。
本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。