一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉的制作方法

专利名称：一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学晶体的生长炉，特别是涉及一种生长光学级金红石单晶体的
焰熔炉。
背景技术：
金红石(Ti02)单晶体折射率大，n。 = 2. 616， ne = 2. 903，最大双折射率大，A n =
0. 287，用于光谱棱镜、偏振器件如光隔离器、光环形器、分束器等。目前用于光学通信的上
述器件均采用钒酸钇(YV04)晶体，高端产品必须使用金红石(Ti02)单晶体。 目前使用的金红石单晶体生长炉，生长出的晶体质量很差，在保证生长气氛满足
要求的前提下，温度分布是一个主要原因，具体如下①经过烘炉、接种等工序，晶体开始生
长后，生长界面上部由于结构问题，由于辐射问题产生的温度分布不适于晶体的生长；②晶
体开始生长后，自生长界面向下，轴向温度梯度过大，不适于晶体的生长。 因此发明一种合适的炉体，建立适合晶体稳定生长的温度场，去除晶体生长过程
中影响晶体质量的因素，对生长光学级金红石单晶体和其它高温氧化物晶体极为必要。 金红石单晶体因具有高的折射率、最大双折射率和化学稳定性，在制备光隔离器、
光环形器、起偏器等器件中有不可替代的优势。传统焰熔法晶体生长炉，由于结构原因和没
有控制温度场的措施，晶体生长环境，尤其是温度场，不利于完整的光学级晶体，特别是金
红石单晶体的生长，成品合格率很低。

发明内容
本发明的目的在于提供一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，通过生长界面及 其上部炉体基体结构设计，在生长界面下部增设电加热器及其控制系统，在炉体内建立合
适的温度场满足生长光学级金红石单晶体的要求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的 —种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，由炉体基体、炉体壳体、刚玉管、观察孔、 硅钼棒、散热孔、热电偶、热电偶引线、控制柜、炉体支座和测温孔构成，在生长界面下部设 电加热器及其控制系统，炉体下部设置以硅钼棒为加热元件，圆柱面上设置一些通孔的刚 玉管为耐火元件，包括测温和控温装置在内的电加热炉。 所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其炉体基体的高度和外径根据所 生长晶体的尺寸要求和对生长条件的要求而设置。 所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其炉体基体由耐火材料制成，该 耐火材料是氧化铝、氧化锆岩棉。 所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其在炉体基体内设有刚玉管，刚 玉管的圆柱面上设有通孔，散热孔，孔径①3-①10，共24个，分别分布在圆柱管的6根母线 上，每根母线上分布4个孔，这6根母线互成60° ;测温孔共3个，孔径①10，分布在一条母 线上。
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所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其在生长界面以下，在炉体基体
和刚玉管之间设有3只硅钼棒加热元件，这三只加热元件平行于炉体中心轴线，互成120°
角，两端定位，在每只加热元件的两端引出电源线，与控制柜中的电源相连接。 所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其在生长界面以下，设有3只相
互平行且垂直于炉体轴线的在一条刚玉管母线上的热电偶，每只热电偶通过引线与控制柜
中的显示仪表相连接，其中最下端的热电偶与控制柜中的控制仪表相连接，由该热电偶控
制加热过程。 所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其在生长界面以下，设有电加热 系统，该系统由控制柜对其加热过程进行控制，对炉体内壁的温度进行控制和显示；该控制 柜由电源、控温系统和仪表、显示仪表构成，分别通过电源线与三只加热元件相连接，通过 热电偶连线与三只热电偶相连接。
本发明的优点与效果是 1.通过改进生长界面以上炉体内壁的结构和尺寸，提高了炉体顶部的保温性能和 对炉内的热辐射性能，提高了流体流动的稳定性，这两方面配合起来，保证了晶体生长过程 中的温场分布和通过燃气调节的可控性。 2.通过在生长界面以下，在炉体内壁增设电加热系统，保证晶体生长所需要的温 度梯度。刚玉管圆柱面上开设通孔，提高加热效果。
3.根据需要，调整晶体生长的温度梯度。


图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的剖视图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明进行详细说明。该炉充分利用辐射、传导、对流传热原理， 通过生长界面及其上部炉体基体结构设计，在生长界面下部增设电加热器及其控制系统， 使整个炉体的温度分布满足生长光学级金红石单晶体的要求，在合适的生长气氛下可以生 长出光学级金红石单晶体。 本发明由炉体基体1、炉体壳体2、刚玉管3、观察孔4、硅钼棒5、散热孔6、热电偶 7、热电偶引线8、控制柜9、炉体支座10和测温孔11构成。使用该炉体，在合适的生长气氛 下可以生长出光学级金红石单晶体。本发明的焰熔炉炉体可以用于生长光学级高温氧化物 单晶体，尤其是光学级金红石单晶体，广泛用于制备光隔离器、光环形器、起偏器等光学器 件，这些光学器件广泛应用于光学、通讯等诸多领域。 本发明充分利用辐射、传导、对流传热原理，是指在本发明的炉体中，应用了辐射 传热原理与设计、传导传热原理与设计、对流传热原理与设计。晶体生长过程中，燃气的热 量通过传导、辐射和对流方式传递给晶体生长用原料粉末，使之升温、熔化和进一步升温， 并进一步以辐射和对流的方式传递给生长中的熔帽。同时，熔帽以辐射的形式向生长界面 的上部空间传热。这样在生长界面上部，即存在着熔帽表面和炉膛内壁表面的热辐射，又存 在着燃气及其生成物的流体，是温场和流场的复合场。该场的形成与稳定直接影响所生长
4的晶体质量。该场随着生长过程的进行在不断地发生变化。该场受到炉体内壁形状、炉体 结构与尺寸、晶体生长工艺的影响。因此完全依赖理论分析和设计是极为困难的。但经过 实际测量，根据传热学原理进行分析计算，并通过实际修证，最终确定该炉体生长界面以上 的形状和尺寸。 晶体向其周围以辐射和对流的方式传递给周围的气氛和炉体内壁。测量表明，在 这种情况下，生长界面以下，沿晶体轴向温度梯度很大，不能生长光学级晶体。根据流体的 流速、流量和在炉内流动的距离，通过实际测量，并根据传热学计算与分析，最终确定炉体 内壁沿高度应有的温度分布。通过生长界面及其上部炉体基体结构设计，是指在前述应用 传热学原理和实际测量基础上，通过计算分析，使结构保证在晶体生长过程中具有更易于 控制的温度分布。 在生长界面下部增设电加热器及其控制系统，是指在前述应用传热学原理和实际 测量基础上，通过计算分析，在炉体下部设置以硅钼棒为加热元件，包括测温和控温功能在 内的电加热炉。该加热炉具有自动控温功能，可根据所设定的炉体内壁温度进行控温加热。 这个所设定的炉体内壁温度保证了晶体生长界面以下具有合理的温度梯度，使晶体达到所 要求的光学质量。该加热炉的电功率可以在15kW-60kW之间，优先选择25kW-45kW，最优选 择30kW-35kW。选择的功率低，炉体的预热时间需要较长；选择的功率高，炉体的预热时间 较短。因此功率的选择不是原则问题，是依据炉体结构和生长工艺而定的。该加热炉的测 温是通过通常的热电偶进行的，内壁温度的设定值是选用热电偶类型的原则，而内壁温度 又是炉体整体参数的函数，所以要根据实际的炉体对热电偶的类型做出选择。在保证所要 求的控温功能下，具体控制方式不是原则问题，可根据情况选用。使整个炉体的温度分布满 足生长光学级金红石单晶体的要求，其光学级金红石单晶体是指除满足金红石单晶体的一 般性能指标外，特别要求其在不同晶向测量时，其摇摆曲线展宽符合光学晶体的要求。
在合适的生长气氛下可以生长出光学级金红石单晶体，是指金红石单晶体生长时 需要特殊的气氛，只有在该气氛下生长，才能生长出金红石单晶体。但虽然气氛正确，如果 没有合适的炉体，仍然不能生长出光学级金红石单晶体。但生长气氛相关技术不是本发明 要阐述的内容。 刚玉管所起的作用是保护加热元件，放置热电偶，传递热量，因此在管的圆柱面上 设置一些孔，以实现这些功能。
权利要求
一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其特征在于由炉体基体(1)、炉体壳体(2)、刚玉管(3)、观察孔(4)、硅钼棒(5)、散热孔(6)、热电偶(7)、热电偶引线(8)、控制柜(9)、炉体支座(10)和测温孔(11)构成，在生长界面下部设电加热器及其控制系统，炉体下部设置以硅钼棒为加热元件，圆柱面上设置一些通孔的刚玉管为耐火元件，包括测温和控温装置在内的电加热炉。
2. 根据权利要求1所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其特征在于，炉体 基体(1)的高度和外径根据所生长晶体的尺寸要求和对生长条件的要求而设置。
3. 根据权利要求1所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其特征在于，炉体 基体(1)由耐火材料制成，该耐火材料是氧化铝、氧化锆岩棉。
4. 根据权利要求1所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其特征在于，在炉 体基体(1)内设有刚玉管，刚玉管的圆柱面上设有通孔，散热孔(6)，孔径①3-①10，共24 个，分别分布在圆柱管的6根母线上，每根母线上分布4个孔，这6根母线互成60° ;测温 孔(11)共3个，孔径①10，分布在一条母线上。
5. 根据权利要求1所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其特征在于，在生 长界面以下，在炉体基体和刚玉管之间设有3只硅钼棒加热元件，这三只加热元件平行于 炉体中心轴线，互成120。角，两端定位，在每只加热元件的两端引出热电偶(7)，与控制柜 中的电源相连接。
6. 根据权利要求1所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其特征在于，在生 长界面以下，设有3只相互平行且垂直于炉体轴线的在一条刚玉管母线上的热电偶，每只 热电偶通过引线与控制柜中的显示仪表相连接，其中最下端的热电偶与控制柜中的控制仪 表相连接，由该热电偶控制加热过程。
7. 根据权利要求1所述的一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，其特征在于，在生 长界面以下，设有电加热系统，该系统由控制柜对其加热过程进行控制，对炉体内壁的温度 进行控制和显示；该控制柜由电源、控温系统和仪表、显示仪表构成，分别通过电源线与三 只加热元件相连接，通过热电偶连线与三只热电偶相连接。  
全文摘要
一种生长光学级金红石单晶体的焰熔炉，涉及一种光学晶体的生长炉。由炉体基体(1)、炉体壳体(2)、刚玉管(3)、观察孔(4)、硅钼棒(5)、散热孔(6)、热电偶(7)、热电偶引线(8)、控制柜(9)、炉体支座(10)和测温孔(11)构成，在生长界面下部设电加热器及其控制系统，炉体下部设置以硅钼棒为加热元件，圆柱面上设置一些通孔的刚玉管为耐火元件，包括测温和控温功能在内的电加热炉。通过生长界面及其上部炉体基体结构设计，在生长界面下部增设电加热器及其控制系统，在炉体内建立合适的温度场，满足生长光学级金红石单晶体的要求。
文档编号C30B29/16GK101736394SQ201010010099
公开日2010年6月16日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者关新, 刘旭东, 孙旭东, 毕孝国, 牛微 申请人:沈阳工程学院
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