專利名稱：一種生長光學級金紅石單晶體的焰熔爐的制作方法
技術領域：
本發(fā)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，用于光譜棱鏡、偏振器件如光隔離器、光環(huán)形器、分束器等。目前用于光學通信的上
述器件均采用釩酸釔(YV04)晶體，高端產(chǎn)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(zhì)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(jīng)過烘爐、接種等工序，晶體開始生
長后，生長界面上部由于結(jié)構(gòu)問題，由于輻射問題產(chǎn)生的溫度分布不適于晶體的生長；②晶
體開始生長后，自生長界面向下，軸向溫度梯度過大，不適于晶體的生長。 因此發(fā)明一種合適的爐體，建立適合晶體穩(wěn)定生長的溫度場，去除晶體生長過程
中影響晶體質(zhì)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(wěn)定性，在制備光隔離器、
光環(huán)形器、起偏器等器件中有不可替代的優(yōu)勢。傳統(tǒng)焰熔法晶體生長爐，由于結(jié)構(gòu)原因和沒
有控制溫度場的措施，晶體生長環(huán)境，尤其是溫度場，不利于完整的光學級晶體，特別是金
紅石單晶體的生長，成品合格率很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于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(jié)構(gòu)設計，在生長界面下部增設電加熱器及其控制系統(tǒng)，在爐體內(nèi)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(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)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、 硅鉬棒、散熱孔、熱電偶、熱電偶引線、控制柜、爐體支座和測溫孔構(gòu)成，在生長界面下部設 電加熱器及其控制系統(tǒng)，爐體下部設置以硅鉬棒為加熱元件，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(nèi)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(jù)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制成，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(nèi)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只硅鉬棒加熱元件，這三只加熱元件平行于爐體中心軸線，互成120°
角，兩端定位，在每只加熱元件的兩端引出電源線，與控制柜中的電源相連接。 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只相
互平行且垂直于爐體軸線的在一條剛玉管母線上的熱電偶，每只熱電偶通過引線與控制柜
中的顯示儀表相連接，其中最下端的熱電偶與控制柜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(tǒng)，該系統(tǒng)由控制柜對其加熱過程進行控制，對爐體內(nèi)壁的溫度進行控制和顯示；該控制 柜由電源、控溫系統(tǒng)和儀表、顯示儀表構(gòu)成，分別通過電源線與三只加熱元件相連接，通過 熱電偶連線與三只熱電偶相連接。
本發(fā)明的優(yōu)點與效果是 1.通過改進生長界面以上爐體內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)和尺寸，提高了爐體頂部的保溫性能和 對爐內(nèi)的熱輻射性能，提高了流體流動的穩(wěn)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(diào)節(jié)的可控性。 2.通過在生長界面以下，在爐體內(nèi)壁增設電加熱系統(tǒng)，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(jù)需要，調(diào)整晶體生長的溫度梯度。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)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(fā)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(jié)構(gòu)設計，在生長界面下部增設電加熱器及其控制系統(tǒng)， 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(fā)明由爐體基體1、爐體殼體2、剛玉管3、觀察孔4、硅鉬棒5、散熱孔6、熱電偶 7、熱電偶引線8、控制柜9、爐體支座10和測溫孔11構(gòu)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(fā)明的焰熔爐爐體可以用于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，廣泛用于制備光隔離器、光環(huán)形器、起偏器等光學器 件，這些光學器件廣泛應用于光學、通訊等諸多領域。 本發(fā)明充分利用輻射、傳導、對流傳熱原理，是指在本發(fā)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， 并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(nèi)壁表面的熱輻射，又存 在著燃氣及其生成物的流體，是溫場和流場的復合場。該場的形成與穩(wěn)定直接影響所生長
4的晶體質(zhì)量。該場隨著生長過程的進行在不斷地發(fā)生變化。該場受到爐體內(nèi)壁形狀、爐體 結(jié)構(gòu)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(jīng)過 實際測量，根據(jù)傳熱學原理進行分析計算，并通過實際修證，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(nèi)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(jù)流體的 流速、流量和在爐內(nèi)流動的距離，通過實際測量，并根據(jù)傳熱學計算與分析，最終確定爐體 內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)保證在晶體生長過程中具有更易于 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(tǒng)，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，在爐體下部設置以硅鉬棒為加熱元件，包括測溫和控溫功能在 內(nèi)的電加熱爐。該加熱爐具有自動控溫功能，可根據(jù)所設定的爐體內(nèi)壁溫度進行控溫加熱。 這個所設定的爐體內(nèi)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(zhì)量。該加熱爐的電功率可以在15kW-60kW之間，優(yōu)先選擇25kW-45kW，最優(yōu)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(jù)爐體結(jié)構(gòu)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(nèi)壁溫度的設定值是選用熱電偶類型的原則，而內(nèi)壁溫度 又是爐體整體參數(shù)的函數(shù)，所以要根據(jù)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(jù)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(fā)明 要闡述的內(nèi)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(xiàn)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，其特征在于由爐體基體(1)、爐體殼體(2)、剛玉管(3)、觀察孔(4)、硅鉬棒(5)、散熱孔(6)、熱電偶(7)、熱電偶引線(8)、控制柜(9)、爐體支座(10)和測溫孔(11)構(gòu)成，在生長界面下部設電加熱器及其控制系統(tǒng)，爐體下部設置以硅鉬棒為加熱元件，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(nèi)的電加熱爐。
2. 根據(jù)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，其特征在于，爐體 基體(1)的高度和外徑根據(jù)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(jù)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，其特征在于，爐體 基體(1)由耐火材料制成，該耐火材料是氧化鋁、氧化鋯巖棉。
4. 根據(jù)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，其特征在于，在爐 體基體(1)內(nèi)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(jù)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，其特征在于，在生 長界面以下，在爐體基體和剛玉管之間設有3只硅鉬棒加熱元件，這三只加熱元件平行于 爐體中心軸線，互成120。角，兩端定位，在每只加熱元件的兩端引出熱電偶(7)，與控制柜 中的電源相連接。
6. 根據(jù)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，其特征在于，在生 長界面以下，設有3只相互平行且垂直于爐體軸線的在一條剛玉管母線上的熱電偶，每只 熱電偶通過引線與控制柜中的顯示儀表相連接，其中最下端的熱電偶與控制柜中的控制儀 表相連接，由該熱電偶控制加熱過程。
7. 根據(jù)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，其特征在于，在生 長界面以下，設有電加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)由控制柜對其加熱過程進行控制，對爐體內(nèi)壁的溫度 進行控制和顯示；該控制柜由電源、控溫系統(tǒng)和儀表、顯示儀表構(gòu)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只熱電偶相連接。
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)、硅鉬棒(5)、散熱孔(6)、熱電偶(7)、熱電偶引線(8)、控制柜(9)、爐體支座(10)和測溫孔(11)構(gòu)成，在生長界面下部設電加熱器及其控制系統(tǒng)，爐體下部設置以硅鉬棒為加熱元件，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(nèi)的電加熱爐。通過生長界面及其上部爐體基體結(jié)構(gòu)設計，在生長界面下部增設電加熱器及其控制系統(tǒng)，在爐體內(nèi)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(yōu)先權日2010年1月12日
發(fā)明者關新, 劉旭東, 孫旭東, 畢孝國, 牛微 申請人:沈陽工程學院