全自动微下拉晶体光纤生长炉的研制与应用

The high power directional laser has the significant application values in national defense and laser industry machining, so the fabrication of high-quality laser fiber becomes one of the hot topics in recent years. The micro-pulling-down technology (μ-PD) is a novel and high-efficiency method for crystal growth, especially for the high optical quality crystal fiber growth, which is much better than the common glass optical fibers. The μ-PD has several technological merits, like the small quantity of raw materials required, high-speed growth, small crucible needed, and diameter controlling for size and shape. In addition many kinds of functional crystals can be grown by this method, including scintillation and laser crystal, semiconductor crystal, metal alloy fibers, and even novel high-melting rare-earth sesquioxides. Unfortunately, there is still no commercial μ-PD furnace because it is a new developing technology, so most of the μ-PD furnaces were home-made in the world''s research laboratories. To the best of our knowledge, no work on μ-PD technology was reported up to now in China. In consideration of our work experiences on manufacture of Czochralaki and Bridgman furnaces, and the skills on crystal fiber growing by μ-PD method, we will build a μ-PD furnace with automatic diameter control (ADC) function in state key laboratory of crystal materials. As a result, it will greatly enrich and improve our crystal growth technology and level.

高能定向激光在军事国防、工业加工等领域具有重大应用价值，因此制备高质量的激光光纤材料成为当前光纤材料领域的研究热点之一。微下拉技术是一种新颖高效的晶体生长手段，可以生长高质量的晶体光纤材料，其性能远优于普通的玻璃光纤。新型微下拉技术该技术具有如下优点：使用的原料非常少；生长速度快；贵金属坩埚小；光纤直径从微米至毫米可调；可以生长多种闪烁、激光、金属合金等新颖晶体。由于该技术较新，目前尚无成熟的商品化设备，国际上各研究单位均为自主研制或与企业联合研制。目前国内尚没有微下降技术生长功能晶体的研究报道。鉴于我们已成功自主研制了全自动提拉炉以及布里奇曼炉，积累了丰富的晶体设备研制经验；而且课题组主要成员留学期间已从事了两年的微下拉晶体光纤生长研究，对该技术有了较全面的把握。因此特申请自主研制微下拉晶体光纤生长炉，该设备的研制对于丰富和提升我国晶体材料，尤其是晶体光纤材料的研究的水平具有重要的意义。

激光单晶光纤是解决目前固体激光和光纤激光技术发展瓶颈的一种新思路，而微下拉作为其关键制备技术在我国却长期处于研究空白。本项目在国内率先开展了微下拉设备的自主研制和单晶光纤生长工作，涉及了从设计论证到制作组装，以及关键部件调试和控制系统优化等环节；设备包括了感应电源、温场、坩埚、真空系统、机械升降系统、籽晶微调平台、控制系统等模块。经过长期攻关，我们团队成功开发了微下拉单晶生长设备以及相应配套系统。该设备使用原料少，生长周期短，适合新型晶体材料探索；同时可以实现异形晶体材料的定向生长，单晶光纤直径从微米至毫米可调。目前设备运行良好，可满足直径0.4 - 8 mm不同规格高熔点单晶的生长；同时我们在微下拉的温度梯度调节与控制方面做出了改进，设计并探索了调控晶体生长温梯的手段与方法，进一步优化了自主研制设备的工作状态。充分利用该方法的技术优势，我们首次实现了倍频晶体器件的微下拉定向生长，后期仅需要简单加工即可满足使用要求。微下拉设备的自主研制过程，融入了我们团队的诸多技术方案与研究思路，对于丰富和提升我国晶体材料，尤其是单晶光纤材料的研究水平具有重要意义。本课题成果已发表学术论文3篇，申请国家专利2项，项目主要参与者通过国际和国内学术会议做了口头报告宣传；同时我们的论文成果荣获中国科技期刊2016年度优秀论文奖。本项目的成功开展也激发了国内其他单位对于微下拉技术和单晶光纤材料的研究热情，后续合作和发展值得期待。