红外气体激光器用光学材料的制法制造技术

本发明专利技术涉及红外气体激光器的窗口、透镜、偏振镜、反射镜、棱镜等光学器件用的ⅢＡ－ⅤＡ族、ⅡＢ－ⅥＡ族红外光学材料的工艺方法。将原料与密封剂（如三氧化二硼）置于坩埚中，充入惰性气体至２－５ＭＰａ。加热升温至２５０°－７００℃，保温０．５小时以上，再升温至４５０°－１０００℃，保温０．３小时以上，使其生成合成料，升温熔化合成料，减压至大于０．１ＭＰａ，在略高于合成料熔点温度下拉制晶体。本法工艺简便，生产率高，成本低，应用范围广，生产出的产品光学性能优良。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及红外气体激光器的光学器件所用红外光学材料的制造工艺方法，更确切地说是红外气体激光器的窗口、透镜、偏振镜、反射镜、棱镜、转镜、分光镜等光学器件所用ⅢA-ⅤA族、ⅡB-ⅥA族红外光学材料的制造方法，尤其是红外气体激光器的窗口、透镜、偏振镜、反射镜、棱镜、转镜、分光镜等光学器件所用砷化镓红外光学材料的制造工艺方法。通常波长在0.9-18微米范围内的主要气体激光器有二氧化碳及一氧化碳激光器。而波长在10.6微米的二氧化碳激光器是目前国内外广泛使用的气体激光器。激光器窗口、透镜、偏振镜、反射镜、棱镜、转镜、分光镜等光学器件是激光器重要的结构零件之一，其性能直接影响激光器的输出功率和稳定性。同时窗口、透镜、偏振镜、反射镜、棱镜、转镜、分光镜等也是激光加工技术的一种常备易耗品，其价格的高低及寿命的长短直接影响到激光技术的推广和应用。据报导激光器窗口、透镜、偏振镜、反射镜、棱镜、转镜、分光镜等光学器件所用材料要具有吸收系数小，透过率高，热稳定性好，硬度、熔点和分解温度高，机械强度(即抗弯曲强度)大，易于光学加工及抗湿性能好。目前国内外二氧化碳及一氧化碳激光器窗口和透镜等光学器件所用的材料有锗、重掺铬砷化镓单晶、离子晶体氯化钠、氯化钾等。锗通常用于输出功率在100瓦以下的二氧化碳小功率激光器，虽然锗的价格低廉，但它的吸收系数大，稳定性差，其吸收系数和透过率随温度的升高而急剧变化，致使激光器的输出功率及其稳定性受到影响，严重时甚至完全阻断激光输出，因此不能满足中、大功率激光器的要求。重掺铬砷化镓单晶虽具有良好的光学性能和热稳定性，在高达200℃的温度下，其透过率基本保持不变。其缺点是吸收系数仍然较大，在10.6微米波长下，其吸收系数为0.01-0.035厘米-1，透过率大约55%，而且质量亦不稳定。离子晶体氯化钠、氯化钾虽然其吸收系数小，但在空气中易潮解，又因抗弯曲强度差而沿单晶的解理面破裂。Ⅲ A-ⅤA族、ⅡB-ⅥA族的GaAs、InAs、ZnSe、CdTe是制造气体激光器窗口、透镜、棱镜等光学器件的有希望的红外光学材料。文献中用于气体激光器的窗口、透镜、棱镜等器件的红外光学材料ZnSe用化学气相沉积法(即CVD法)制备。这种方法因其沉积速率低和复杂的物理化学反应过程而影响到这种材料的生产和性能的重复性。在每个单晶与单晶之间的吸收系数往往因原料和生长条件的不同而相差几乎一个数量级，使激光器输出功率不稳定。日本专利文献特开昭63-315599所介绍的液封直拉法(LEC法)系制备砷化镓单晶的工艺方法。该法是将6个九的砷和镓及含水1000ppm的三氧化二硼置于PBN坩埚(热解氮化硼坩埚)中，再将PBN坩埚放在LEC装置中，将LEC装置抽真空后，充入氩或氮气使其压力达5-100公斤/平方厘米，电阻加热使镓与砷反应，加热到砷化镓熔点以上，通常加热到700-1500℃，对GaAs来说加热到800-1240℃，使反应完成，保持氮气压力慢慢冷却至室温而生成多晶砷化镓。将上述多晶砷化镓及含水500ppm的三氧化二硼置于PBN坩埚中，再将PBN坩埚放于LEC装置内，抽真空充入惰性气体拉制砷化镓单晶。北京有色金属研究总院在专利技术名称为“二氧化碳及一氧化碳激光器窗口和透镜用复合型GaAs材料”的专利技术申报书中介绍了采用水平法合成和常压液封直拉法二道工序制备二氧化碳和一氧化碳激光器窗口和透镜用复合型GaAs材料。该法是将砷升华为蒸汽并在适宜的温度压力下使砷蒸汽扩散到液态镓中合成GaAs。然后在常压液封直拉工艺中通过多种掺杂复合补偿而制备出复合型砷化镓窗口和透镜材料。也就是采用在GaAs中同时掺入多种杂质即深受主杂质铬或铁、镍，浅施主杂质碲或硒、硫和深施主杂质氧的工艺。通过深受主和深施主与砷化镓中剩余的浅施主及浅受主的复合补偿，使砷化镓中的自由载流子浓度从1015-1016厘米-3降低为109-106厘米-3。又由于降低了掺铬量消除了因重掺铬而引起的杂质沉淀等问题，进而减少束缚电子吸收(即杂质吸收)。该法制备出的复合型砷化镓材料，其吸收系数较低，为0.0066-0.0088cm-1，承受功率密度较高(2×104瓦/平方厘米)，连续输出功率较大。在10.6微米波长下可作大(1000-2800瓦)，中(100-900瓦)，小(小于100瓦)二氧化碳激光器窗口和透镜材料，也可在5微米波长作一氧化碳激光器窗口和透镜材料。还可能应用于2.5-12.5微米波长范围作窗口和透镜材料。但是由于水平合成工艺法不可避免地引入硅等有害杂质，加之多道工艺引起的杂质沾污，尽管通过多种掺杂及复合补偿降低了掺铬量，从而达到降低自由载流浓度和减小吸收系数的目的。但因上述工艺本身的弱点，直接影响了砷化镓材料的本底纯度，故难以进一步减少杂质吸收和提高材料的光学性能，而且由于二道工艺制备，单位时间内的生产能力低，原料和能源消耗高，生产成本增大，价格昂贵，从而限制了激光器和激光加工技术的工业推广及应用。日本专利文献特开昭63-315599及其他专利文献所报导的高压液封原位合成和掺杂拉制出的低位错半绝缘砷化镓单晶，均用于高速集成电路，光电子集成器件和场效应晶体管(FET)等半导体器件的衬底，因此均着重于研究砷化镓等ⅢA-ⅤA族、ⅡB-ⅥA族材料的电学性质和位错密度，也就是说主要研究和利用砷化镓等Ⅲ A-ⅤA族、ⅡB-ⅥA族单晶衬底材料的电学性能。至今在文献中尚未见到利用高压液封直接合成砷化镓等Ⅲ A-ⅤA族、ⅡB-ⅥA族气体激光器用的窗口、透镜、棱镜等光学器件的红外光学材料的制备方法的报导。本专利技术的目的就在于研究出一种高压液封一道工艺法直接合成制备砷化镓等ⅢA-ⅤA族、ⅡB-ⅥA族的二氧化碳、一氧化碳激光器用的窗口、透镜、偏振镜、反射镜、棱镜、转镜、分光镜等红外光学材料的工艺方法，使得这种制备工艺方法工艺简化、生产率高，原料和能源消耗减少，使产品成本降低。而且用本专利技术的工艺方法生产出来的红外光学材料其光学性能优良，吸收系数低，透过率高，热稳定性好，承受功率密度高，连续输出功率大。本专利技术的一种红外气体激光器用的红外光学材料的制造工艺方法，在周期表ⅢA族其中的一种元素(用A表示)和周期表ⅤA族其中的一种元素(用B表示)中或周期表ⅡB族其中的一种元素(用C表示)和周期表Ⅵ A族其中的一种元素(用D表示)中分别加密封剂三氧化二硼、氟化钡其中的一种，将反应体系抽至低真空，通入惰性气体使体系压力为2-5MPa，使反应体系的温度控制在250°-700℃，保温0.5小时以上(0.5小时包括在内)，再升温至450°-1000℃保温0.3小时以上(0.3小时包括在内)使其生成合成料，又一次升温熔化合成料，反应体系减压至大于0.1MPa。在略高于合成料熔点的温度下拉制晶体。为了制备出优质的红外气体激光器用的红外光学材料，所用原料ⅢA族元素其中一种元素(A)与ⅤA族元素其中的一种元素(B)的摩尔比/以0.85-1.16为佳，ⅡB元素其中的一种元素(C)与ⅥA族元素其中的一种元素(D)的摩尔比/以0.85-1.16为宜。所说的ⅢA族元素(A)为Ga、In，其纯度为5个九至7个九;ⅤA族元素(B)为P、As，其纯度为5个九至7个九;ⅡB族元素(C)为Zn、Cd，其纯度为5个九至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外气体激光器用的红外光学材料的制造工艺方法，在周期表ⅢＡ族其中的一种元素（用Ａ表示）和周期表ＶＡ族其中的一种元素（用Ｂ表示）中、周期表ⅡＢ族其中的一种元素（用Ｃ表示）和周期表ＶＩＡ族其中的一种元素（用Ｄ表示）中分别加入密封剂三氧化二硼、氟化钡其中的一种，本专利技术的特征是，［１］将反应体系抽至低真空，通入惰性气体使体系的压力为２－５ＭＰａ，［２］使反应体系的温度控制在２５０°－７００℃，保温０．５小时以上，［３］再升温至４５０°－１０００℃，保温０．３小时以上， ［４］又一次升温熔化合成料，反应体系减压至大于０．１ＭＰａ，在略高于合成料熔点的温度下拉制晶体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李光华，王岩，王立兵，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]