Oberflächenbearbeitungsverfahren für titandotierte Saphirkristall-Laserstäbe

Titan-Edelsteinkristalle Ti:Al2O3 (Dotierungskonzentration 0,35 Gew.-% Ti2O3), deren Kristallrohlinge dem Prozessflussdiagramm des Oberflächenbearbeitungsverfahrens für den Titan-Edelsteinkristall-Laserstab der vorliegenden Erfindung entsprechen, sind in Abb. 1 dargestellt. Die spezifischen Vorbereitungsschritte des Oberflächenbearbeitungsverfahrens für den Titan-Edelsteinkristall-Laserstab der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:

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

<2>Grob- und Feinschleifen der Säule: Der Säulenrohling wird auf einer Grobschleifmaschine mit 120–180# Siliziumkarbid- oder Borkarbid-Schleifmitteln zu einem tetragonalen oder zylindrischen Querschnitt geschliffen, mit einem Konizitäts- und Unrundheitsfehler von ±0,01 mm.

<3> Endflächenbearbeitung: Titan-Edelstein-Laserbarren bearbeiten nacheinander zwei Endflächen mit W40, W20, W10 Borcarbid-Schleifflächen auf der Stahlscheibe. Beim Schleifen ist auf die Vertikalität der Endfläche zu achten.

<4> Chemisch-mechanisches Polieren: Beim chemisch-mechanischen Polieren werden Kristalle auf einem Polierpad mit Tropfen einer vorgefertigten chemischen Ätzlösung poliert. Werkstück und Polierpad werden durch Relativbewegung und Reibung poliert, während in der Polierflüssigkeit ein mit einem chemischen Ätzmittel versetzter Schlamm (Polierflüssigkeit genannt) das Polieren vervollständigt.

<5> Säureätzen: Die Titan-Edelsteinstäbe werden nach dem Polieren wie oben beschrieben in eine Mischung aus H2SO4:H3PO4 = 3:1 (v/v) bei einer Temperatur von 100–400 °C gegeben und 5–30 Minuten lang säuregeätzt. Ziel ist es, die durch den Polierprozess auf der Oberfläche des Laserstabs entstandenen mechanischen Schäden unter der Oberfläche zu entfernen und verschiedene Flecken zu beseitigen, um eine atomar glatte, flache und saubere Oberfläche mit Gitterintegrität zu erhalten.

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