Oberflächenbearbeitungsverfahren für mit Titan dotierte Saphirkristall-Laserstäbe

Titan-Edelsteinkristalle Ti:Al2O3 (Dotierungskonzentration 0,35 Gew.-% Ti2O3), deren Kristallrohlinge dem Prozessablaufdiagramm des Oberflächenbearbeitungsverfahrens des erfindungsgemäßen Titan-Edelsteinkristall-Laserstabs entsprechen, sind in Abb. 1 dargestellt. Die spezifischen Herstellungsschritte des Oberflächenbearbeitungsverfahrens des erfindungsgemäßen Titan-Edelsteinkristall-Laserstabs sind wie folgt:

<1> Orientierungsschnitt: Der Titan-Edelsteinkristall wird zunächst orientiert und dann in einen tetragonalen, säulenförmigen Rohling geschnitten, wobei ein Bearbeitungszugabe von etwa 0,4 bis 0,6 mm entsprechend der Größe des fertigen Laserstabs belassen wird.

<2>Roh- und Feinschleifen der Säule: Der Säulenrohling wird auf einer Grobschleifmaschine mit Siliciumcarbid- oder Borcarbid-Schleifmitteln der Körnung 120~180# zu einem tetragonalen oder zylindrischen Querschnitt geschliffen, wobei der Konizitäts- und Rundheitsfehler ±0,01 mm beträgt.

<3> Stirnflächenbearbeitung: Die Stirnflächen eines Titan-Edelsteinstabs werden nacheinander mit W40-, W20- und W10-Borcarbid-Schleifscheiben auf einer Stahlscheibe bearbeitet. Dabei ist auf die Messung der Vertikalität der Stirnfläche zu achten.

<4> Chemisch-mechanisches Polieren: Beim chemisch-mechanischen Polieren werden Kristalle auf einem Polierpad mit Tropfen einer vorgefertigten Ätzlösung bearbeitet. Werkstück und Polierpad bewegen sich relativ zueinander und erzeugen Reibung, während die Ätzlösung (Polierflüssigkeit) den Poliervorgang durch die Polierflüssigkeit ermöglicht.

<5> Säureätzung: Die Titan-Edelsteinstäbe werden nach dem oben beschriebenen Polieren in ein Gemisch aus H₂SO₄ und H₃PO₄ im Verhältnis 3:1 (v/v) bei einer Temperatur von 100–400 °C eingelegt und 5–30 Minuten lang geätzt. Ziel ist es, durch den Polierprozess entstandene mechanische Beschädigungen der Oberfläche des Laserstabs sowie verschiedene Verunreinigungen zu entfernen, um eine atomar glatte und ebene Oberfläche mit intaktem Kristallgitter zu erzielen.

<6> OBERFLÄCHENWÄRMEBEHANDLUNG: Um die durch den vorhergehenden Prozess entstandenen Oberflächenspannungen und Kratzer weiter zu beseitigen und eine ebene Oberfläche auf atomarer Ebene zu erhalten, wurde der Titan-Edelsteinstab nach der Säureätzung 5 Minuten lang mit deionisiertem Wasser gespült und anschließend in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer konstanten Temperatur von 1360±20° C für 1 bis 3 Stunden einer Oberflächenwärmebehandlung unterzogen.