大尺寸Yb∶CALGO晶体的生长工艺研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0139

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (10): 1858-1866.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0139

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大尺寸Yb∶CALGO晶体的生长工艺研究

刘小虎¹^,²^,³(), 朱昭捷¹, 涂朝阳¹, 王燕¹()

1.中国科学院福建物质结构研究所，功能晶体与器件全国重点实验室，福州 350002
2.福州大学化学学院，福州 350106
3.福建学院，福州 350002

收稿日期:2025-07-04 出版日期:2025-10-20 发布日期:2025-11-11
通信作者: 王燕，博士，研究员。E-mail：wy@fjirsm.ac.cn
作者简介:刘小虎（1999—），男，湖南省人，硕士研究生。E-mail：1063223903@qq.com
王　燕，博士，中国科学院福建物质结构研究所研究员、博士生导师。《人工晶体学报》编委。主要从事大尺寸光功能晶体材料的生长和性能研究。近年来，作为负责人主持完成两项国家自然科学基金面上项目和四项福建省科技计划重点项目，作为研究骨干承担科技部重点研发计划项目和国家自然科学基金重点项目等任务。获得福建省自然科学二等奖（排名第三）。近五年发表论文61篇，申请10项专利，获得6项国内发明授权专利，参与撰写4部专章。担任中国稀土学会稀土晶体分会和中国晶体学会晶体应用与产业分会委员等。
基金资助:
科技部国家重点研发计划项目(2022YFB3605704);福建省科技计划引导性项目(2022H0043);福建省科技计划引导性项目(2024H0033);国家自然科学基金(51832007);国家自然科学基金(51872286);国家自然科学基金(U21A20508)

Growth Process of Large-Sized Yb∶CALGO Crystal

LIU Xiaohu¹^,²^,³(), ZHU Zhaojie¹, TU Chaoyang¹, WANG Yan¹()

1. State Key Laboratory of Functional Crystals and Devices，Fujian Institute of Research on the Structure of Matter，Chinese Academy of Sciences，Fuzhou 350002，China
2. College of Chemistry，Fuzhou University，Fuzhou 350106，China
3. Fujian College，Fuzhou 350002，China

Received:2025-07-04 Online:2025-10-20 Published:2025-11-11

摘要/Abstract

摘要： 本文从固相反应温度、晶转速率、生长速率及降温速率几个方面，探索分析了采用提拉法生长大尺寸Yb∶CALGO晶体的工艺。通过对比不同温度下烧结反应后的多晶料XRD图谱发现，原料在1 350 ℃可以充分反应，根据所生长晶体的开裂截面形貌与晶体表面光滑度来优化晶转速率和生长速率，通过变温拉曼光谱分析降温速率导致开裂的成因，结合不同降温速率获得了不同方向的晶面应力分布图，发现对于沿着c轴生长的Yb∶CALGO晶体来说，降温速率过快更容易导致（001）面的热应力积累，这也是导致晶体在退火过程中开裂的主要诱因。采用多种手段优化晶体生长工艺后，实现了 $?$ 50 mm×110 mm Yb∶CALGO晶体的稳定生长，晶体具有较低的散射损耗（0.001 796 cm^-1）和较高的光学均匀性（4.21×10^-5），可以实现多种尺寸和形状的晶体元件加工，为进一步研制Yb∶CALGO板条激光器和超快激光器提供技术支撑。

关键词: Yb∶CALGO; 大尺寸晶体; 生长工艺; 激光晶体; 提拉法; 光学质量

Abstract: The growth process of large-sized Yb∶CALGO crystals using the Czochralski method was explored and analyzed in terms of solid-phase reaction temperature， crystal rotation rate， growth rate， and cooling rate. XRD patterns of polycrystalline materials after sintering reaction at different temperatures were compared， and it was found that the raw materials could react completely at 1 350 ℃. The crystal rotation rate and pulling rate were optimized based on the cracked cross-section and surface smoothness of the as-grown crystals. The cause of cracks due to the cooling rate was analyzed by temperature-variable Raman spectroscopy. Stress distribution maps of different crystal planes obtained with different cooling rates were studied. It was concluded that for Yb∶CALGO crystals grown along c-axis， a high cooling rate is more likely to cause thermal stress accumulation on the （001）plane， which is the major cause of cracks during crystal growth. After optimizing the growth process with several methods， stable growth of $?$ 50 mm×110 mm Yb∶CALGO crystals has been achieved. These crystals have low scattering loss （0.001 796 cm^-1） and high optical homogeneity （4.21×10^-5）， can be machined into various sizes and shapes， and provide a basis for the preparation of Yb∶CALGO slab and ultrafast lasers.

Key words: Yb∶CALGO; large-sized crystal; crystal growth process; laser crystal; Czochralski method; optical quality

中图分类号:

O782⁺.5

刘小虎, 朱昭捷, 涂朝阳, 王燕. 大尺寸Yb∶CALGO晶体的生长工艺研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(10): 1858-1866.

LIU Xiaohu, ZHU Zhaojie, TU Chaoyang, WANG Yan. Growth Process of Large-Sized Yb∶CALGO Crystal[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(10): 1858-1866.

图/表 9

图1 不同烧结条件下样品的XRD图谱（以首次烧结温度分组）

Fig.1 XRD patterns of the samples under different sintering conditions （grouped by the initial sintering temperature）

图2 晶转速度为10 r/min生长出的Yb∶CALGO晶体照片

Fig.2 Photo of Yb∶CALGO crystal grown at a crystal rotation speed of 10 r/min

图3 不同生长速率条件下生长的Yb∶CALGO晶体照片。（a）以1 mm/h生长的直径为30 mm晶体；（b）以0.5 mm/h生长的直径为30 mm晶体；（c）以0.5 mm/h生长的直径为50 mm晶体；（d）以0.3 mm/h生长的直径为50 mm晶体

Fig.3 Photos of Yb∶CALGO crystals grown at different pulling rates. （a） 30 mm-diameter crystal grown at 1 mm/h；（b） 30 mm-diameter crystal grown at 0.5 mm/h；（c） 50 mm-diameter crystal grown at 0.5 mm/h；（d） 50 mm-diameter crystal grown at 0.3 mm/h

图4 采用提拉法生长晶体的示意图

Fig.4 Schematic diagram of crystal growth by Czochralski method

图5 （001）面样品的变温拉曼光谱。（a）升温过程中不同温度下的拉曼谱；（b）降温过程中不同温度下的拉曼谱

Fig.5 Temperature-dependent Raman spectra of the （001）-oriented sample. （a） Raman spectra at various temperatures during heating；（b） Raman spectra at different temperatures during cooling

图6 采用偏振光干涉法获得的应力分布图。（a）、（b）8%Yb∶CALGO晶体在80 h缓慢降温条件下获得的（100）和（001）晶片的应力分布图；（c）、（d）2.5%Yb∶CALGO晶体在4 h快速降温条件下获得的（100）和（001）晶片的应力分布图

Fig.6 Stress distribution maps obtained by polarized light interferometry. （a），（b） Stress distribution maps of （100） and （001） crystal plates of 8%Yb∶CALGO after slow cooling for 80 h；（c），（d） stress distribution maps of （100） and （001） crystal plates of 2.5%Yb∶CALGO after rapid cooling for 4 h

表1 不同降温时间下，（100）和（001）晶片在旋转角度为0°、45°和90°时测得的平均应力值

Table 1 Average stress values of （100） and （001） crystal plates measured at rotation angles of 0°， 45°， and 90° for different cooling time

Sample	Cooling time/h	Crystal plate	Average stress at different rotation angles/MPa
Sample	Cooling time/h	Crystal plate	0°	45°	90°
8.0%Yb∶CALGO 8.0%Yb∶CALGO	80 80	（100）	0.026	0.025	0.026
8.0%Yb∶CALGO 8.0%Yb∶CALGO	80 80	（001）	0.022	0.021	0.018
2.5%Yb∶CALGO 2.5%Yb∶CALGO	4 4	（100）	0.025	0.027	0.032
2.5%Yb∶CALGO 2.5%Yb∶CALGO	4 4	（001）	0.039	0.046	0.044

图7 采用提拉法生长获得的?50 mm的Yb∶CALGO晶体照片

Fig.7 Photos of as-grown Yb∶CALGO crystals with a diameter of 50 mm by Czochralski method

图8 所生长的Yb∶CALGO晶体加工后的晶棒（a）和晶片（b）照片

Fig.8 Photos of Yb∶CALGO crystal rods （a） and wafers （b） after machining

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