CN208071841U - 一种模块化的复合晶体制备系统 - Google Patents

Abstract

一种模块化的复合晶体制备系统，包括炉架、炉腔、晶体生长温场模块、旋转提拉称重单元和升降机构，炉腔设置在炉架上，炉腔前侧设置有前门，炉腔侧面设有通光窗口，晶体生长温场模块设置于炉腔内，旋转提拉称重单元设置在炉腔的上部，旋转提拉称重单元的下部连接提拉杆，晶体生长温场模块为微下拉法模块、提拉法模块和激光基座加热法模块之一。该系统一机多用，主体部分对于不同的晶体生长方法通用，方便地更换晶体生长温场模块，实现不同方法的晶体生长，制备不同种类的功能晶体，能够满足高校科研院所对于多品种晶体的探索研究，也能够满足工业生产的小批量晶体生长需求。

Description

一种模块化的复合晶体制备系统

技术领域

本实用新型涉及一种模块化的复合晶体制备系统，属于晶体生长设备技术领域。

背景技术

光电晶体可以实现光、电、热、磁、力等的相互转换，根据其不同应用分为许多种类，包括激光晶体、非线性光学晶体、压电晶体、电光晶体、闪烁晶体和磁光晶体等。在军事和民用领域可以应用于加工制造、医疗、微电子、光电子、通信、航天等领域。

根据不同晶体的特性，晶体生长方法也不尽相同，主要有：提拉法、助熔剂法、激光加热基座法、坩埚下降法、微下拉法、浮区法、热交换法、水热法、焰熔法、导模法等。

提拉法是一种从熔体中提拉生长高质量单晶的方法，适用于同成分一致熔融化合物晶体的生长，包括宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、尖晶石、铌酸锂、硅酸镓镧等重要的光电功能晶体。提拉法进一步发展为一种更为先进的定型晶体生长方法—导模法，可以直接从熔体中拉制出片状、桶状等各种截面形状的异形晶体，不仅复杂的加工，还节约原料，降低生产成本。微下拉(Micro-Pulling-Down，μ-PD)法主要用于制备高质量单晶光纤，可以实现直径达0.5～5mm、长度达100cm、组分均匀的高质量单晶光纤。目前全世界只有少数国家能够研制这种设备，用该设备生长的单晶光纤是发展高功率激光光源、新型光电器件、高分辨医学成像系统等的关键材料。激光加热基座法把大直径的晶体原料局部熔化，用籽晶从熔化区域引晶生长，属于无坩埚生长方法，不存在坩埚的污染，生长温度也不受坩埚熔点的限制。可以用高功率弧光灯聚焦或激光加热，是制备单晶光纤和新晶体探索的重要晶体生长方法。

不同的晶体生长方法具有一定的适用范围，可以用于一类或几类晶体的生长，具有各自的优缺点。目前现有的晶体生长设备都是单一功能的晶体生长设备，只能实现单一方法的晶体生长。对于高校、科研院所开展新材料探索的基础研究以及专业技术人员技能培训而言，所有晶体生长设备配置齐全需要大量的经费，而且占用大量的实验空间，造成巨大的浪费。

实用新型内容

本实用新型针对以上技术问题，提供了一种模块化的复合晶体制备系统，是一个小型化、模块化的晶体制备系统。

本实用新型的模块化的复合晶体制备系统，采用以下技术方案：

该晶体制备系统，包括炉架、炉腔、晶体生长温场模块、旋转提拉称重单元和升降机构，炉腔设置在炉架上，炉腔前侧设置有前门，炉腔侧面设有通光窗口，晶体生长温场模块设置于炉腔内，旋转提拉称重单元设置在炉腔的上部，旋转提拉称重单元的下部连接提拉杆，晶体生长温场模块为微下拉法模块、提拉法模块和激光基座加热法模块之一。提拉杆为提拉法模块和激光基座加热法模块共用，升降机构为微下拉法模块和激光加热基座法模块共用。

所述炉架带有减震功能的地脚，可以通过调节地脚来调节整体的垂直度。

所述炉腔为真空炉腔，炉腔上部和下部分别设有出气孔和进气孔，用于炉腔抽真空或实现流动气氛。

所述炉腔上部设有视频图像监控系统，用于实时监控晶体生长的状态，并通过计算机软件控制系统实时分析，进而调控工艺参数。

炉腔侧面的通光窗口，用于激光加热基座法晶体生长时，导入外部激光光源，窗片可以根据不同波长的激光光源进行更换。

所述微下拉法模块包括坩埚、坩埚支座、保温层和籽晶托杆，坩埚设置在坩埚支座上，坩埚外围设置有保温层，坩埚下方设置有籽晶托杆，坩埚的外部设置有电磁感应线圈。

所述提拉法模块包括坩埚、保温层和坩埚支座，坩埚设置在坩埚支座上，坩埚外围设置有保温层，坩埚外部设置有电磁感应线圈。

所述激光加热基座法模块包括籽晶夹持器、料棒夹持器和激光光源，籽晶夹持器和料棒夹持器分别与与提拉杆和下升降机构连接，激光光源与炉腔侧面的通光窗口对应。料棒和籽晶分别固定于籽晶夹持器和料棒夹持器，晶体生长过程中籽晶夹持器和料棒夹持器稳定同轴旋转，激光光源用于料棒加热。

所述旋转提拉称重单元采用现有技术，包括高精度称重传感器以及提拉和旋转执行机构。满足晶体生长所需的精确提拉和稳定转动。

所述升降机构设置于与炉架分离的独立底座上，以减小了炉体振动对单晶光纤生长的扰动，并且精确控制单晶升降用于微下拉法晶体生长，牵引籽晶向下实现单晶光纤生长。

加热电源采用高稳定度数字IGBT电源或直流电源，通过数字通讯接口和控制系统连接，实现功率的实时动态调节。

本实用新型可以一机多用，旋转称重提拉单元、下升降系统、炉腔、炉架以及电源盒控制系统均可以共用，只需要通过简单的更换晶体生长温场模块，即可实现不同方法进行晶体生长，制备不同种类的功能晶体。这不仅大大节省了设备成本和实验室空间，能够满足高校科研院所对于多品种晶体的探索研究，也能够满足工业生产的小批量晶体生长需求。另外，由于实现了小型化和多功能化，能够满足工科院校本科基础实验教学需求，也可以用于科技馆等进行晶体生长科普推广宣传。

附图说明

图1是本实用新型模块化复合晶体制备系统的结构示意图。

图2是本实用新型可更换晶体生长温场模块中的微下拉法模块的结构示意图。

图3是本实用新型可更换晶体生长温场模块中的提拉法模块的结构示意图。

图4是本实用新型可更换晶体生长温场模块中的激光加热基座法模块的结构示意图。

其中：1.旋转提拉称重单元，2.提拉杆，3.视频图像监控系统，4.炉腔，5.晶体生长温场模块，6.右通光窗口，7.升降机构，8.炉架，9.波纹管，10.地脚，11.独立底座，12.进气孔，13.左通光窗口，14.出气孔，15.坩埚，16.保温材料，17.籽晶托杆，18.电磁感应线圈，19.坩埚支座，20.电磁感应线圈，21.坩埚，22.保温层，23.坩埚支座，24.籽晶夹持器，25.右侧激光光源，26.料棒夹持器，27.左侧激光光源，28.料棒，29.籽晶，30.晶体光纤。

具体实施方式

本实用新型的模块化的复合晶体制备系统可以方便的更换不同晶体生长温场模块，实现不同方法进行晶体生长，制备不同种类的功能晶体。

如图1所示，本实用新型的模块化的复合晶体制备系统，包括炉架8、炉腔4、晶体生长温场模块5、旋转提拉称重单元1、升降机构7、独立底座11、视频图像监控系统3和控制系统。炉架8的底部带有减震地脚10，通过调节地脚10来调节整体的垂直度。

炉腔4设置在炉架8上，炉腔4为双层不锈钢或透明石英玻璃炉腔，炉腔4的一侧设置有前门，用于更换不同的晶体生长温场模块。炉腔4的上部和下部分别设有出气孔14和进气孔12，用于对炉腔4内抽真空或实现流动气氛。炉腔4上部还设有视频图像监控系统3，用于实时监控晶体生长的状态，并通过控制系统实时分析，进而调控工艺参数。炉腔4的侧面还设有右通光窗口6和左通光窗口13，通光窗口用于激光加热基座法晶体生长时，导入外部激光光源，窗片可以根据不同波长的激光光源进行更换。

旋转提拉称重单元1和提拉杆2是提拉法模块和激光加热基座法模块共用的，旋转提拉称重单元1设置在炉腔4的上部，旋转提拉称重单元1的下部连接提拉杆2。提拉称重机构1采用现有技术，包括高精度称重传感器以及提拉旋转机构，用于满足晶体生长所需的精确提拉和稳定转动。提拉法模块中提拉杆2用于固结籽晶，激光加热基座法模块中的料棒夹持器26与提拉杆2连接。

升降机构7为微下拉法模块和激光加热基座法模块共用，位于炉腔4的底部，并设置于与炉架分离的独立底座11上，以减小了炉体振动对单晶光纤生长的扰动，并且精确控制单晶升降，牵引籽晶向下实现单晶光纤生长。升降机构7采用现有的丝杠螺母传动机构，丝杠与螺母连接并由电机带动转动，螺母可固定在炉架8上，丝杠转动并移动，丝杠外围套装波纹管9，以起密封保护作用，波纹管9连接在独立底座11和炉架8之间。微下拉法模块中的籽晶托杆17以及激光加热基座法模块中的料棒夹持器26与丝杠连接。

晶体生长温场模块5包括图2给出的微下拉法模块、图3给出的提拉法和导模法模块，以及图4给出的激光加热基座法模块。炉架8、炉腔4、电源和自动控制系统为各种晶体生长温场模块共用。根据不同的晶体习性选择适用的晶体生长模块，仅仅更换不同的模块即可方便地实现不同晶体生长工艺。更换晶体生长温场模块时，只需打开炉腔4的前门，可以方便的取出并更换温场模块，实现不同晶体生长工艺要求。

如图2所示，微下拉法模块包括电磁感应线圈18、坩埚15、保温层16、坩埚支座19和籽晶托杆17。坩埚15设置在坩埚支座19上，坩埚15外围设置有保温层16，坩埚15下方设置有籽晶托杆17，坩埚15外部设置有电磁感应线圈18，籽晶托杆17与升降机构7连接；微下拉法晶体生长过程如下：将生长原料放入坩埚15内，并安装好保温层16，真空或惰性气体保护，缓慢增加加热功率，使得原料熔化成熔体，此时熔体会从坩埚底部的小孔流到孔的最底部，由于熔体的表面张力作用悬挂于坩埚底部小孔处；在合适的功率下，慢慢的升高籽晶托杆17，使固定在籽晶托杆17顶部的籽晶接触到坩埚底部的熔体，然后控制下拉速率慢慢开始下拉，晶体光纤开始缓慢生长，直到所需要的晶体长度后停止下拉，缓慢冷却至室温，完成晶体光纤生长。

如图3所示，提拉法模块包括电磁感应线圈20、坩埚21、保温层22和坩埚支座23。坩埚21设置在坩埚支座23上，坩埚21外围设置有保温层22，坩埚21外部设置有电磁感应线圈20。提拉法晶体生长过程如下：将晶体多晶原料置于坩埚21内，坩埚外部安放保温层22，将籽晶置于提拉杆2上；调整坩埚的位置，使坩埚处于最佳的温场位置。通过进气口12向炉腔4内通入惰性气体或对腔体抽真空，使腔体内形成适合晶体生长的环境，电磁感应线圈20接通电源。当坩埚21加热到多晶原料熔点以上时，晶体多晶原料熔化成熔体状态，旋转提拉称重单元1带动提拉杆2，使得籽晶伸入到坩埚内的熔体中，控制合适的加热功率，然后通过旋转并向上提拉籽晶而实现晶体生长。

提拉法模块可以通过在坩埚21中放置不同形状的模具，实现导模法晶体生长。

如图4所示，激光加热基座法模块包括籽晶夹持器24、料棒夹持器26和激光光源，籽晶夹持器24和料棒夹持器26处于同一轴线上。籽晶夹持器24的上端与提拉杆2连接，料棒夹持器26与升降机构7相连接。激光光源用于料棒加热，包括右侧激光光源25和左侧激光光源27，右侧激光光源25和左侧激光光源27分别与炉腔4两侧的右通光窗口6和左通光窗口13对应。籽晶29夹持固定在籽晶夹持器24下端，籽晶夹持器24通过旋转提拉称重单元1实现籽晶29向上运动。料棒28固定于料棒夹持器26，料棒夹持器26在升降机构7的带动下实现晶体生长过程中料棒28向上运动。晶体生长过程中，控制旋转提拉称重单元1与升降机构7稳定同轴旋转并向上运动。右侧激光光源25和左侧激光光源27导入到料棒28，对料棒28进行加热，使之熔化。当料棒28的熔区稳定后，通过旋转提拉称重单元1控制籽晶29接触到熔化的熔体，然后以一定的速率向上提拉，晶体光纤开始缓慢生长，由于激光聚焦的位置不变，所以随着晶体光纤生长的进行，料棒28必须通过升降机构7以一定的速率向上传输，为晶体光纤的生长不断提供原料。拉制单晶光纤时，控制右侧激光光源25和左侧激光光源27的功率使其保持稳定，由于质量守恒，只要控制好其速度比稳定，就能拉制出直径稳定的单晶光纤。

三种晶体生长温场模块共用加热电源，采用高稳定度数字IGBT电源或直流电源，通过数字通讯接口和控制系统连接，实现功率的实时动态调节。电磁感应线圈18和电磁感应线圈20均与加热电源连接。

控制系统采用计算机实时监控晶体生长全过程，包括功率模块、晶体几何外形设计模块、控制参数模块、晶体自动实时控制模块、实时记录模块和报警模块等，完成从下籽晶到降温的晶体生长全程自动控制。

Claims (8)

1.一种模块化的复合晶体制备系统，其特征是：包括炉架、炉腔、晶体生长温场模块、旋转提拉称重单元和升降机构，炉腔设置在炉架上，炉腔前侧设置有前门，炉腔侧面设有通光窗口，晶体生长温场模块设置于炉腔内，旋转提拉称重单元设置在炉腔的上部，旋转提拉称重单元的下部连接提拉杆，晶体生长温场模块为微下拉法模块、提拉法模块和激光基座加热法模块之一。

2.根据权利要求1所述的模块化的复合晶体制备系统，其特征是：所述炉架带有减震功能的地脚。

3.根据权利要求1所述的模块化的复合晶体制备系统，其特征是：所述炉腔为真空炉腔，炉腔上部和下部分别设有出气孔和进气孔。

4.根据权利要求1所述的模块化的复合晶体制备系统，其特征是：所述炉腔上部设有视频图像监控系统。

5.根据权利要求1所述的模块化的复合晶体制备系统，其特征是：所述微下拉法模块包括坩埚、坩埚支座、保温层和籽晶托杆，坩埚设置在坩埚支座上，坩埚外围设置有保温层，坩埚下方设置有籽晶托杆，坩埚的外部设置有电磁感应线圈。

6.根据权利要求1所述的模块化的复合晶体制备系统，其特征是：所述提拉法模块包括坩埚、保温层和坩埚支座，坩埚设置在坩埚支座上，坩埚外围设置有保温层，坩埚外部设置有电磁感应线圈。

7.根据权利要求1所述的模块化的复合晶体制备系统，其特征是：所述激光加热基座法模块包括籽晶夹持器、料棒夹持器和激光光源，籽晶夹持器和料棒夹持器分别与与提拉杆和升降机构连接，激光光源与炉腔侧面的通光窗口对应。

8.根据权利要求1所述的模块化的复合晶体制备系统，其特征是：所述升降机构设置于与炉架分离的独立底座上。