CN107059114A - 一种导模法生长晶体光纤的模具及方法 - Google Patents

一种导模法生长晶体光纤的模具及方法 Download PDF

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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Abstract

本发明涉及一种导模法生长晶体光纤的模具及方法，包括模具底座、模具盘、模具钼丝，所述的模具盘设置在模具底座中心，所述的模具盘设有8‑100个开孔，每个开孔内设有一模具钼丝。生长方法包括：S01，组装模具：模具盘平放在模具底座上，模具钼丝装入模具盘的开孔里；S02，装炉；S03，抽真空及充氩气；S04，升温；S05，引晶；S06，晶体生长；S07，降温；与现有技术相比，本发明可以一次性生长出上百根直径1mm以下，长度几米或十几米长的晶体纤维。

Description

一种导模法生长晶体光纤的模具及方法
技术领域
本发明涉及晶体生长技术领域，尤其涉及一种晶体纤维的生长方法。
背景技术
晶体纤维由于其卓越的性能近年来获得广泛的研究，通常，纤维是指直径在微米至毫米量级直径的细长的圆棒，满足这一条件的材料都可以称为纤维，用来传输光信号的纤维被称为光纤。不同的晶体材质的纤维已广泛应用在各个不同的应用领域，例如蓝宝石纤维，由于蓝宝石晶体的硬度(莫氏度9)仅次于金刚石，它具有硬度和强度高、抗磨损、耐高温能力强的特点以及化学性质稳定，耐酸碱腐蚀等一系列特性，所以蓝宝石纤维在航空工业上用作金属基增强材料；蓝宝石晶体在可见光到5.6um光谱范围内具有良好的透过性能，在军事上用作电光瞄准；在医学上用用来传输Er:YAG激光器的2.94μm的激光；由于蓝宝石的高熔点和光学性能，工业上可以用作高温测量；最近用作高功率纤维激光器的稀土掺杂氧化物晶体光纤成为一个新的研究热点。高纯石英光纤已经被使用了40年之久，由于石英玻璃导热系数很小，仅为1.4-1.6W m-1K-1，小导热系数对散热带来巨大的不利影响，因此光纤激光器高功率运转时仍然对于制冷有较高的要求，限制了其功率的继续提升。对于单晶激光增益介质而言，常用的激光晶体钇铝石榴石(YAG)晶体导热系数～14Wm-1K-1，铝酸钇(YAP)晶体的导热系数也超过～11Wm-1K-1，高于石英玻璃数倍；因此，可考虑采用单晶作为有源光纤的基质，利用其高导热系数改善光纤本身的散热性能，降低系统对于制冷的要求，简化系统的复杂性，提升激光器的功率和光束质量等输出性能指标。现有的生长晶体纤维的方法有微下拉法和激光加热基座法，生产效率很低，每次只能生长一根纤维。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以一次性生长出上百根直径1mm以下，长度几米或十几米长的晶体纤维，以长晶炉的行程为限的导模法生长晶体光纤的模具及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种导模法生长晶体光纤的模具，其特征在于，包括模具底座、模具盘、模具钼丝，所述的模具盘设置在模具底座中心，所述的模具盘设有8-100个开孔，每个开孔内设有一模具钼丝。
所述的模具钼丝的直径为2-4mm，下端为圆柱形，上端为圆锥形，模具钼丝顶端直径100-1000μm；钼丝的整体高度为4-15mm。模具钼丝中心设有0.1mm以内的圆孔或铣槽，其加工方法可以为将两半的模具钼丝中心开半圆孔或槽，再拼装成整个圆柱形或柱形中心通孔。由于钼的高熔点和高硬度，用普通的机械打孔或激光加工的方法，在国内找不到可以在钼材料上打出0.1mm左右直径，深度6mm的加工单位，通过将钼丝切成两半，中间铣槽再拼接的方式达到了同样的目的。
所述的模具盘为方形或圆形，盘高度3-6mm，其开孔直径与模具钼丝的直径一致。
所述的模具底座是由1-5kg直径为2mm的钼丝填充组成，底座上表面为抛光过的平面，底座高度为40-120mm，与所用坩埚的深度一致。
所述的模具钼丝、模具盘、模具底座的材质为钼、钨、铱、或铼。
一种采用所述模具进行导模法生长晶体光纤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01，组装模具：模具底座居中放入坩埚底部，模具盘放在模具底座上的中心位置，模具钼丝放入模具盘上的开孔内；
S02，装炉：选用M向或C向籽晶，将籽晶固定在籽晶夹头上，装入钼坩埚5kg～7kg焰熔法碎料，模具盘放料粒；
S03，抽真空及充氩气：关闭炉门，开启机械泵进行抽真空，真空度达到3Pa～10Pa时关闭真空设备，充氩气至标准大气压；
S04，升温：打开加热电源升温到2100℃～2300℃，使模具口料粒熔化；
S05，引晶：待模具口的料粒熔化后将籽晶摇下，对籽晶进行烤晶后进行引晶，使籽晶块与熔体熔接，并向上以5mm/h～20mm/h提拉籽晶；
S06，晶体生长：放肩结束后，进行晶体生长，提高拉速到30mm/h～500mm/h；
S07，降温：拉脱晶体脱离模具，开始降温，10h以后降到室温出炉。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明设置了特殊的模具，能够一次性生长上百根直径1mm以下，长度数米长的晶体纤维，以长晶炉的行程为限。
附图说明
图1为本发明一种导模法生长晶体纤维的生长方法流程示意图；
图2为本发明组装模具结构示意图
图3为本发明模具钼丝的结构示意图；
图4为本发明模具盘的结构示意图；
图5为本发明模具底座的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图2所示，一种导模法生长晶体光纤的模具，包括模具底座1、模具盘2、模具钼丝3，所述的模具盘2设置在模具底座1中心，所述的模具盘2设有100个开孔21，每个开孔内设有一模具钼丝3。
如图3所示，所述的模具钼丝3的直径为2mm，下端为圆柱形，上端为圆锥形，模具钼丝顶端直径100μm；模具钼丝中心为0.1mm以内的圆孔，其加工方法如图3所示，在半边模具钼丝的中间部分铣半圆形的槽，两半的模具钼丝再拼装成整个圆柱形，模具钼丝的整体高度为4mm。
如图4所示，所述的模具盘2为圆形，盘高度3mm，其开孔直径与模具钼丝的直径一致。
如图5所示，所述的模具底座1是由1-5kg直径为2mm的钼丝11填充组成，底座上表面12为抛光过的平面，底座高度为40mm，与所用坩埚的深度一致。
采用上述模具进行导模法生长微孔蓝宝石晶体的生长方法，如图1所示，包括以下步骤：
S01，组装模具：模具底座居中放入坩埚底部，模具盘放在模具底座上的中心位置， 模具钼丝放入模具盘上的开孔内
S02，装炉：选用M向或C向籽晶，将籽晶固定在籽晶夹头上，装入钼坩埚5kg～7kg焰熔法碎料，模具盘放料粒；
S03，抽真空及充氩气：关闭炉门，开启机械泵进行抽真空，真空度达到3Pa～10Pa时关闭真空设备，充氩气至标准大气压；
S04，升温：打开加热电源升温到2100℃～2300℃，使模具口料粒熔化；
S05，引晶：待模具口的料粒熔化后将籽晶摇下，对籽晶进行烤晶后进行引晶，使籽晶块与熔体熔接，并向上以5mm/h～20mm/h提拉籽晶；
S06，晶体生长：生长，提高拉速到30mm/h～500mm/h；
S07，降温：拉脱晶体脱离模具，开始降温，10h以后降到室温出炉。
一次工艺生长出100根空心晶体光纤。
实施例2
一种导模法生长晶体光纤的模具，包括模具底座、模具盘、模具钼丝，所述的模具盘设置在模具底座中心，所述的模具盘设有8个开孔，每个开孔内设有一模具钼丝。
所述的模具钼丝的直径为4mm，下端为圆柱形，上端为圆锥形，模具钼丝顶端直径1000μm；钼丝的整体高度为15mm。钼丝中心为0.1mm以内的槽，参见图3所示，将模具钼丝分为两个半边，并在各半边中间部分铣槽，两半的模具钼丝再拼装成整个柱形。
所述的模具盘为方形，盘高度6mm，其开孔直径与模具钼丝的直径一致。
所述的模具底座是由1-5kg直径为2mm的钼丝填充组成，底座上表面为抛光过的平面，底座高度为120mm，与所用坩埚的深度一致。
模具为平模具，所述的模具钼丝、模具盘、模具底座的材质为钼。
其余同实施例1。
实施例3
一种导模法生长晶体光纤的模具，包括模具底座、模具盘、模具钼丝，所述的模具盘设置在模具底座中心，所述的模具盘设有50个开孔，每个开孔内设有一模具钼丝。
所述的模具钼丝的直径为3mm，下端为圆柱形，上端为圆锥形，模具钼丝顶端直径500μm；钼丝中心为0.1mm以内圆孔，钼丝的整体高度为10mm。
所述的模具盘为方形，盘高度5mm，其开孔直径与模具钼丝的直径一致。
所述的模具底座是由1-5kg直径为2mm的钼丝填充组成，底座上表面为抛光过的平面，底座高度为60mm，与所用坩埚的深度一致。
模具为斜角模具，所述的模具钼丝、模具盘、模具底座的材质为铱。
其余同实施例1。
所述的模具钼丝、模具盘、模具底座的材质还可以为钨或铼。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种导模法生长晶体光纤的模具，其特征在于，包括模具底座、模具盘、模具钼丝，所述的模具盘设置在模具底座中心，所述的模具盘设有8-100个开孔，每个开孔内设有一模具钼丝。
2.根据权利要求1所述的一种导模法生长晶体光纤的模具，其特征在于，所述的模具钼丝的直径为2-4mm，下端为圆柱形，上端为圆锥形，模具钼丝顶端直径100-1000μm；模具钼丝中心设有0.1mm以内的圆孔或铣槽，模具钼丝的整体高度为4-15mm。
3.根据权利要求1所述的一种导模法生长晶体光纤的模具，其特征在于，所述的模具盘为方形或圆形，盘高度3-6mm，其开孔直径与模具钼丝的直径一致。
4.根据权利要求1所述的一种导模法生长晶体光纤的模具，其特征在于，所述的模具底座是由1-5kg直径为2mm的钼丝填充组成，底座上表面为抛光过的平面，底座高度为40-120mm，与所用坩埚的深度一致。
5.根据权利要求1所述的一种导模法生长晶体光纤的模具，其特征在于，所述的模具钼丝、模具盘、模具底座的材质为钼、钨、铱、或铼。
6.一种采用如权利要求1所述模具进行导模法生长晶体光纤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01，组装模具：模具底座居中放入坩埚底部，模具盘放在模具底座上的中心位置，模具钼丝放入模具盘上的开孔内；
S02，装炉：选用M向或C向籽晶，将籽晶固定在籽晶夹头上，装入钼坩埚5kg～7kg焰熔法碎料，模具盘放料粒；
S03，抽真空及充氩气：关闭炉门，开启机械泵进行抽真空，真空度达到3Pa～10Pa时关闭真空设备，充氩气至标准大气压；
S04，升温：打开加热电源升温到2100℃～2300℃，使模具口料粒熔化；
S05，引晶：待模具口的料粒熔化后将籽晶摇下，对籽晶进行烤晶后进行引晶，使籽晶块与熔体熔接，并向上以5mm/h～20mm/h提拉籽晶；
S06，晶体生长：放肩结束后，进行晶体生长，提高拉速到30mm/h～500mm/h；
S07，降温：拉脱晶体脱离模具，开始降温，10h以后降到室温出炉。
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