Crystal Growth of $Cr:Al_2O_3$ and $Ti:Al_2O_3$ by Czochralski Technique

용액인상법에 의한 $Cr:Al_2O_3$및 $Ti:Al_2O_3$ 단결정 육성

Cr:A12O3 and Ti:A12O3 single crystals were grown by Czochralski method, and the effects of crystal growth parameters such as pulling rate, rotation rate, dopant and growth atmosphere on crystal quality were investigated. And spectroscopic properties including lasing efficiency were also measured. Single crystals, sized of 20mm in diameter and 100-135mm in length, were successfully grown from the seed of <001> direction. With the doping level of 0.5w/o Cr2O3, pulling rate 2.0mm/hr, rotation rate of 30rpm and inert atmosphere by nitrogen gas, high quality crystals of Cr:A12O3 were grown. While in case of Ti:A12O3 crystals, high quality crystals were grown under the conditions of the doping level of 0.25w/o TiO2, pulling rate of 1.5mm/hr, rotation rate of 30rpm and reducing atmosphere by hydrogen - nitrogen mixed gas. It was confirmed that Cr3+ ion which maintains its ionoc valence during growth easily de-bubbled than Ti4+ ion which changes its valence, Fe3+ ion also has do-bubbling effect to Ti:A12O3 crystal and the reducing atmosphere by 90% N2 - 10% H2 mixed gas gave effective result on the changing of Ti4+ to Ti3+ and de-bubbling. As a result of spectroscopic measurements of Cr:A12O3 crystal, 4A2 →4F2 and 4F1 absorption transitions and E →4A2(R1) and 2A →4A2(R2) fluorenscence transitions were confirmed. And it was measured that wavelengths of laser R1 and R2 transitions were 696±5nm and 692±5nm respectively, line width of these transitions were 12A, and life-time of fluorenscence was 152μsec. In case of Ti:A12O3 crystals, it was confirmed that absortion transition of 4T2→4E and fluorescence transition of 4E→4T2 with wide range of 650-1050nm was occured. And 147μsec of life-time of fluorescence, 125.4 of figure of merit and 9% of laser efficience were also measured.

융액인상법에 의해 Cr:A12O3 및 Ti:A12O3 단결정을 육성한 후 인상속도, 회전속도, 주입이온 및 결정육성 분위기와 같은 결정육성요소가 결정의 품질에 미치는 영향을 조사하고, 육성된 결정의 레이저 효율과 분광학적 물성을 측정하였다. 직경 20mm, 길이 100-135mm 크기의 결정을 <001>방위로 육성하였다. Cr:A12O3의 주입농도 0.5w/o, 인상속도 2.0mm/hr, 회전속도 30rpm으로 할 때 질소기체에 의한 비활성 분위기하에서 양질의 Cr:A12O3 결정이 얻어졌다. Ti:A12O3 단결정은 TiO2를 0.25w/o 주입하고 인상속도 1.5mm/hr, 회전속도 30rpm으로 육성할 때, 수소기체에 의한 환원성 분위기하에서 양질의 결정이 얻어졌다. 원자가가 변화하지 않는 Cr3+이온은 원자가가 변화하는 Ti4+이온을 주입할 때보다 효과적으로 탈포되었으며, Fe3+이온은 Ti3+이온에 대해 탈포를 촉진하는 효과가 있었다. Ti:A12O3 단결정 육성시 90% N2 - 10% H2 혼합기체를 사용하여 환원성 분위기를 조성하는 것이 원자가 변화 및 탈포에 좋은 효과를 나타내었다. 흡수 및 형광방출 스펙트럼 조사 결과 Cr:A12O3 단결정에서 4A2 → 4F2 및 4F1 천이에 의한 흡수와 E→4A2(R1) 및 2A→4A2(R2) 천이에 의한 형광방출 천이를 확인하였다. R1 및 R2 천이의 레이저 주파장은 각각 696±5nm 및 692 ±5nm이고, 각 천이의 형광선폭은 12A, 형광수명은 152 μsec로 측정되었다. Ti:A12O3 단결정에서는 4T2→ 4E의 흡수천이와 4E→4T2의 천이에 의해 650nm-1050nm 범위에서 파장가변이 가능한 형광방출천이가 일어남을 확인하였으며 형광수명은 147μsec, figure of merit는 125.4로 측정되었다. Ti:A12O3 단결정으로부터 제조한 레이저봉을 이용하여 레이저 공진한 결과 레이저 발진효율은 9%로 측정되었다.