一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐的製作方法

2023-05-02 23:37:01

專利名稱：一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學晶體的生長爐，特別是涉及一種生長光學級金紅石單晶體的
焰熔爐。
背景技術：
金紅石(Ti02)單晶體折射率大，n。 = 2. 616， ne = 2. 903，最大雙折射率大，A n =
0. 287，用於光譜稜鏡、偏振器件如光隔離器、光環形器、分束器等。目前用於光學通信的上
述器件均採用釩酸釔(YV04)晶體，高端產品必須使用金紅石(Ti02)單晶體。 目前使用的金紅石單晶體生長爐，生長出的晶體質量很差，在保證生長氣氛滿足
要求的前提下，溫度分布是一個主要原因，具體如下①經過烘爐、接種等工序，晶體開始生
長後，生長界面上部由於結構問題，由於輻射問題產生的溫度分布不適於晶體的生長；②晶
體開始生長後，自生長界面向下，軸向溫度梯度過大，不適於晶體的生長。 因此發明一種合適的爐體，建立適合晶體穩定生長的溫度場，去除晶體生長過程
中影響晶體質量的因素，對生長光學級金紅石單晶體和其它高溫氧化物晶體極為必要。 金紅石單晶體因具有高的折射率、最大雙折射率和化學穩定性，在製備光隔離器、
光環形器、起偏器等器件中有不可替代的優勢。傳統焰熔法晶體生長爐，由於結構原因和沒
有控制溫度場的措施，晶體生長環境，尤其是溫度場，不利於完整的光學級晶體，特別是金
紅石單晶體的生長，成品合格率很低。

發明內容
本發明的目的在於提供一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，通過生長界面及 其上部爐體基體結構設計，在生長界面下部增設電加熱器及其控制系統，在爐體內建立合
適的溫度場滿足生長光學級金紅石單晶體的要求。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的 —種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，由爐體基體、爐體殼體、剛玉管、觀察孔、 矽鉬棒、散熱孔、熱電偶、熱電偶引線、控制櫃、爐體支座和測溫孔構成，在生長界面下部設 電加熱器及其控制系統，爐體下部設置以矽鉬棒為加熱元件，圓柱面上設置一些通孔的剛 玉管為耐火元件，包括測溫和控溫裝置在內的電加熱爐。 所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其爐體基體的高度和外徑根據所 生長晶體的尺寸要求和對生長條件的要求而設置。 所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其爐體基體由耐火材料製成，該 耐火材料是氧化鋁、氧化鋯巖棉。 所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其在爐體基體內設有剛玉管，剛 玉管的圓柱面上設有通孔，散熱孔，孔徑①3-①10，共24個，分別分布在圓柱管的6根母線 上，每根母線上分布4個孔，這6根母線互成60° ;測溫孔共3個，孔徑①10，分布在一條母 線上。
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所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其在生長界面以下，在爐體基體
和剛玉管之間設有3隻矽鉬棒加熱元件，這三隻加熱元件平行於爐體中心軸線，互成120°
角，兩端定位，在每隻加熱元件的兩端引出電源線，與控制櫃中的電源相連接。 所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其在生長界面以下，設有3隻相
互平行且垂直於爐體軸線的在一條剛玉管母線上的熱電偶，每隻熱電偶通過引線與控制櫃
中的顯示儀表相連接，其中最下端的熱電偶與控制櫃中的控制儀表相連接，由該熱電偶控
制加熱過程。 所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其在生長界面以下，設有電加熱 系統，該系統由控制櫃對其加熱過程進行控制，對爐體內壁的溫度進行控制和顯示；該控制 櫃由電源、控溫系統和儀表、顯示儀表構成，分別通過電源線與三隻加熱元件相連接，通過 熱電偶連線與三隻熱電偶相連接。
本發明的優點與效果是 1.通過改進生長界面以上爐體內壁的結構和尺寸，提高了爐體頂部的保溫性能和 對爐內的熱輻射性能，提高了流體流動的穩定性，這兩方面配合起來，保證了晶體生長過程 中的溫場分布和通過燃氣調節的可控性。 2.通過在生長界面以下，在爐體內壁增設電加熱系統，保證晶體生長所需要的溫 度梯度。剛玉管圓柱面上開設通孔，提高加熱效果。
3.根據需要，調整晶體生長的溫度梯度。


圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為圖1的剖視圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發明進行詳細說明。該爐充分利用輻射、傳導、對流傳熱原理， 通過生長界面及其上部爐體基體結構設計，在生長界面下部增設電加熱器及其控制系統， 使整個爐體的溫度分布滿足生長光學級金紅石單晶體的要求，在合適的生長氣氛下可以生 長出光學級金紅石單晶體。 本發明由爐體基體1、爐體殼體2、剛玉管3、觀察孔4、矽鉬棒5、散熱孔6、熱電偶 7、熱電偶引線8、控制櫃9、爐體支座10和測溫孔11構成。使用該爐體，在合適的生長氣氛 下可以生長出光學級金紅石單晶體。本發明的焰熔爐爐體可以用於生長光學級高溫氧化物 單晶體，尤其是光學級金紅石單晶體，廣泛用於製備光隔離器、光環形器、起偏器等光學器 件，這些光學器件廣泛應用於光學、通訊等諸多領域。 本發明充分利用輻射、傳導、對流傳熱原理，是指在本發明的爐體中，應用了輻射 傳熱原理與設計、傳導傳熱原理與設計、對流傳熱原理與設計。晶體生長過程中，燃氣的熱 量通過傳導、輻射和對流方式傳遞給晶體生長用原料粉末，使之升溫、熔化和進一步升溫， 並進一步以輻射和對流的方式傳遞給生長中的熔帽。同時，熔帽以輻射的形式向生長界面 的上部空間傳熱。這樣在生長界面上部，即存在著熔帽表面和爐膛內壁表面的熱輻射，又存 在著燃氣及其生成物的流體，是溫場和流場的複合場。該場的形成與穩定直接影響所生長
4的晶體質量。該場隨著生長過程的進行在不斷地發生變化。該場受到爐體內壁形狀、爐體 結構與尺寸、晶體生長工藝的影響。因此完全依賴理論分析和設計是極為困難的。但經過 實際測量，根據傳熱學原理進行分析計算，並通過實際修證，最終確定該爐體生長界面以上 的形狀和尺寸。 晶體向其周圍以輻射和對流的方式傳遞給周圍的氣氛和爐體內壁。測量表明，在 這種情況下，生長界面以下，沿晶體軸向溫度梯度很大，不能生長光學級晶體。根據流體的 流速、流量和在爐內流動的距離，通過實際測量，並根據傳熱學計算與分析，最終確定爐體 內壁沿高度應有的溫度分布。通過生長界面及其上部爐體基體結構設計，是指在前述應用 傳熱學原理和實際測量基礎上，通過計算分析，使結構保證在晶體生長過程中具有更易於 控制的溫度分布。 在生長界面下部增設電加熱器及其控制系統，是指在前述應用傳熱學原理和實際 測量基礎上，通過計算分析，在爐體下部設置以矽鉬棒為加熱元件，包括測溫和控溫功能在 內的電加熱爐。該加熱爐具有自動控溫功能，可根據所設定的爐體內壁溫度進行控溫加熱。 這個所設定的爐體內壁溫度保證了晶體生長界面以下具有合理的溫度梯度，使晶體達到所 要求的光學質量。該加熱爐的電功率可以在15kW-60kW之間，優先選擇25kW-45kW，最優選 擇30kW-35kW。選擇的功率低，爐體的預熱時間需要較長；選擇的功率高，爐體的預熱時間 較短。因此功率的選擇不是原則問題，是依據爐體結構和生長工藝而定的。該加熱爐的測 溫是通過通常的熱電偶進行的，內壁溫度的設定值是選用熱電偶類型的原則，而內壁溫度 又是爐體整體參數的函數，所以要根據實際的爐體對熱電偶的類型做出選擇。在保證所要 求的控溫功能下，具體控制方式不是原則問題，可根據情況選用。使整個爐體的溫度分布滿 足生長光學級金紅石單晶體的要求，其光學級金紅石單晶體是指除滿足金紅石單晶體的一 般性能指標外，特別要求其在不同晶向測量時，其搖擺曲線展寬符合光學晶體的要求。
在合適的生長氣氛下可以生長出光學級金紅石單晶體，是指金紅石單晶體生長時 需要特殊的氣氛，只有在該氣氛下生長，才能生長出金紅石單晶體。但雖然氣氛正確，如果 沒有合適的爐體，仍然不能生長出光學級金紅石單晶體。但生長氣氛相關技術不是本發明 要闡述的內容。 剛玉管所起的作用是保護加熱元件，放置熱電偶，傳遞熱量，因此在管的圓柱面上 設置一些孔，以實現這些功能。
權利要求
一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其特徵在於由爐體基體(1)、爐體殼體(2)、剛玉管(3)、觀察孔(4)、矽鉬棒(5)、散熱孔(6)、熱電偶(7)、熱電偶引線(8)、控制櫃(9)、爐體支座(10)和測溫孔(11)構成，在生長界面下部設電加熱器及其控制系統，爐體下部設置以矽鉬棒為加熱元件，圓柱面上設置一些通孔的剛玉管為耐火元件，包括測溫和控溫裝置在內的電加熱爐。
2. 根據權利要求1所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其特徵在於，爐體 基體(1)的高度和外徑根據所生長晶體的尺寸要求和對生長條件的要求而設置。
3. 根據權利要求1所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其特徵在於，爐體 基體(1)由耐火材料製成，該耐火材料是氧化鋁、氧化鋯巖棉。
4. 根據權利要求1所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其特徵在於，在爐 體基體(1)內設有剛玉管，剛玉管的圓柱面上設有通孔，散熱孔(6)，孔徑①3-①10，共24 個，分別分布在圓柱管的6根母線上，每根母線上分布4個孔，這6根母線互成60° ;測溫 孔(11)共3個，孔徑①10，分布在一條母線上。
5. 根據權利要求1所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其特徵在於，在生 長界面以下，在爐體基體和剛玉管之間設有3隻矽鉬棒加熱元件，這三隻加熱元件平行於 爐體中心軸線，互成120。角，兩端定位，在每隻加熱元件的兩端引出熱電偶(7)，與控制櫃 中的電源相連接。
6. 根據權利要求1所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其特徵在於，在生 長界面以下，設有3隻相互平行且垂直於爐體軸線的在一條剛玉管母線上的熱電偶，每隻 熱電偶通過引線與控制櫃中的顯示儀表相連接，其中最下端的熱電偶與控制櫃中的控制儀 表相連接，由該熱電偶控制加熱過程。
7. 根據權利要求1所述的一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，其特徵在於，在生 長界面以下，設有電加熱系統，該系統由控制櫃對其加熱過程進行控制，對爐體內壁的溫度 進行控制和顯示；該控制櫃由電源、控溫系統和儀表、顯示儀表構成，分別通過電源線與三 只加熱元件相連接，通過熱電偶連線與三隻熱電偶相連接。
全文摘要
一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐，涉及一種光學晶體的生長爐。由爐體基體(1)、爐體殼體(2)、剛玉管(3)、觀察孔(4)、矽鉬棒(5)、散熱孔(6)、熱電偶(7)、熱電偶引線(8)、控制櫃(9)、爐體支座(10)和測溫孔(11)構成，在生長界面下部設電加熱器及其控制系統，爐體下部設置以矽鉬棒為加熱元件，圓柱面上設置一些通孔的剛玉管為耐火元件，包括測溫和控溫功能在內的電加熱爐。通過生長界面及其上部爐體基體結構設計，在生長界面下部增設電加熱器及其控制系統，在爐體內建立合適的溫度場，滿足生長光學級金紅石單晶體的要求。
文檔編號C30B29/16GK101736394SQ201010010099
公開日2010年6月16日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者關新, 劉旭東, 孫旭東, 畢孝國, 牛微 申請人:瀋陽工程學院