激光基座法晶體生長LHPG課件

激光基座法晶體生長（LHPG）技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

2009年10月.激光基座法晶體生長（LHPG）技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用2009年11一、激光基座法（LHPG）技術(shù)的簡介

二、激光基座法設(shè)備及改進(jìn)

三、激光基座法技術(shù)的應(yīng)用四、初步的設(shè)想

..2一、LHPG技術(shù)簡介1、激光是一種很好的加熱源特點(diǎn)：a很高的能量密度，幾乎可以熔化所有難熔材料；b能量集中，可得到很高的溫度梯度；c直接照射在材料上，不需坩堝，不引入雜質(zhì)，而且不受氣氛的影響。2、激光區(qū)熔分類.一、LHPG技術(shù)簡介1、激光是一種很好的加熱源.33、LHPG技術(shù)的原理.3、LHPG技術(shù)的原理.44、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程早期的嘗試1969年Eichhoff和Gürs紅寶石浮區(qū)生長

1970年

Gasson和Cockayne其他氧化物

70年代中期Burrus和Stone首次采用LHPG技術(shù)制備紅寶石、Nd:Y2O、Nd:YAG單晶纖維制微型固體激光器優(yōu)勢：提高器件的效率、提高能量密度以及降低閥值，引起人們對該技術(shù)的關(guān)注

MultipleBeamLaserSystems的設(shè)計(jì)，生長的晶體表面質(zhì)量不能保證、應(yīng)用受到限制

.4、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程早期的嘗試.580年代光纖通訊的發(fā)展對單晶纖維需求激光材料、光電調(diào)節(jié)器、光電開關(guān)、耦合器、絕緣體、傳輸線路、遠(yuǎn)程傳感等

制備單晶纖維可采用的技術(shù)：

①theEFGmethod;②pullingthroughadie;③float-zone(pedestal)growth;④solidificationincapillarytubes;⑤capillarydrawing;⑥pressurizedcapillary-fedgrowth.LHPG技術(shù)優(yōu)勢明顯：速度快（mm/min級）、無污染、受材料限制小、纖維成份可調(diào)等4、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程.80年代光纖通訊的發(fā)展對單晶纖維需求4、LHPG技術(shù)的發(fā)展683年Stanford大學(xué)

M.M.Fejer等人開發(fā)出laser-heatedminiaturepedestalgrowthapparatus

4、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程直徑起伏0.1%-1%、光學(xué)損失<2%/mm，平均每天可制備單晶纖維14根.83年Stanford大學(xué)M.M.Fejer等人開發(fā)7

4、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程1986年，R.S.Feigelson采用該技術(shù)制備單晶纖維，對LHPG技術(shù)很高的評價(jià)：fast,inexpensive,themostversatileandsimplest并認(rèn)為該技術(shù)也是材料研究的強(qiáng)大工具，尤其是研究晶體缺陷、亞穩(wěn)生長、共晶凝固、鐵電籌形成等。

.4、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程1986年，R.S.Feig81988年美國GlennResearchCenter推出商品化的設(shè)備

LaserFloat-ZoneProcessImprovements改進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)得到廣泛的采用，英國、德國、日本、巴西、葡萄牙、臺灣等開始開發(fā)和利用類似的設(shè)備進(jìn)行材料研究，研究范圍涉及光學(xué)材料、功能材料、半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料及高溫結(jié)構(gòu)材料

4、LHPG技術(shù)發(fā)展歷程.4、LHPG技術(shù)發(fā)展歷程.9二、激光基座法設(shè)備及改進(jìn)

Laserheatedfibergrowthfurnace特點(diǎn)：

生長陶瓷纖維

Multi-WaveTMpyrometer

測量范圍~3000oC

測量微區(qū)75微米

應(yīng)用：

NASA’sHighTemperatureEngineMaterialProgramUSAFOfficeofScientificResearch

.二、激光基座法設(shè)備及改進(jìn)Laserheatedfibe10美國俄核俄州LewisResearchCenter.美國俄核俄州LewisResearchCenter.11設(shè)備原理圖.設(shè)備原理圖.12Blockdiagramoffibergrowthapparatus.Blockdiagramoffibergrowth13光學(xué)系統(tǒng)激光源：15W偏振波導(dǎo)CO2激光，輸出能量起伏小于1%電光能量控制系統(tǒng)、新穎的聚焦系統(tǒng)

.光學(xué)系統(tǒng).14機(jī)械系統(tǒng)絲杠傳動→皮帶（樹脂）傳動狀態(tài)可鎖直流電機(jī)（100ms速度調(diào)節(jié)100：1）.機(jī)械系統(tǒng).15直徑測量系統(tǒng)

直徑辨析<0.02%,軸向辨析5μm,測量頻率1KHz.直徑測量系統(tǒng).16日本YasuyukiSugiyama等制備SBN:60(1993)Growthspeed0.2~2.5mm/minAfterheater200~300℃

.日本YasuyukiSugiyama等制備SBN:60(17臺灣國立大學(xué)JYH-Chen等在激光區(qū)熔設(shè)備中加入熱成像設(shè)備對熔體進(jìn)行控制（1994）D.Reyes等，在介質(zhì)和等靜壓環(huán)境生長晶體的改良激光加熱區(qū)熔設(shè)備（1999年12月）

alargerangeofpressure(100mbarup

to100bar)

.臺灣國立大學(xué)JYH-Chen等在激光區(qū)熔設(shè)備中加入熱成像設(shè)備18三、激光基座法技術(shù)的應(yīng)用93年MassachusettsInstituteofTechnology,J.Sigalovsky等制備MgAl2O4,用于研究高溫復(fù)合材料的強(qiáng)化纖維93年Yasuyuki利用該技術(shù)研究鈮酸鋇鍶非線性光學(xué)材料94年巴西圣保羅大學(xué)Prokofiev等利用該技術(shù)研究光存儲材料Bi12SiO20、Bi12TiO2097年Y.Waku等采用該技術(shù)制備氧化物共晶復(fù)合材料，并在nature發(fā)表文章90年代開始，英國格拉斯哥大學(xué)Drjames、H.Sharp利用此技術(shù)生產(chǎn)纖維光學(xué)傳感器.三、激光基座法技術(shù)的應(yīng)用93年MassachusettsI1901年臺灣Chao-ChangHu等用該技術(shù)研究YIG（釔鐵石榴石）單晶纖維的制備01年德國歌德大學(xué)F.Bullesfeld等用該技術(shù)研究巨磁效應(yīng)材料La(1-x)SrxMnO3的生長03年格倫研究中心用該技術(shù)制備出一種單晶高溫氧化物，高溫蠕變后100%變形恢復(fù)04年BreckHitz制備出有良好激光參數(shù)的Nd:YVO4單晶04年葡萄牙Aveiro大學(xué)Carrasco等研究了電場對Bi2Sr2Ca2Cu4O11超導(dǎo)纖維制備的影響.01年臺灣Chao-ChangHu等用該技術(shù)研究YIG（釔20MaterialCommonNameDiameter(micron)ApplicationAl2O3Sapphire55-800BeamDeliveryAl2O3:Cr3+Ruby3-170LaserAl2O3:Ti3+Ti:sapphire200-800LaserLu2O3:Cr600LaserNb2O5700-1700OpticalProp.Sc2O3:Cr600LaserTiO2500-1000MaterialStudyY2O3:Cr600LaserY2O3:Eu500-800Laser簡單氧化物.MaterialCommonNameDiameter(m21MaterialDiameter(micron)ApplicationB9C200ThermoelectricBi2Sr2CaCu2O8250-1000SuperconductorBi1.8Sr1.8Ca1.2Cu2.2O8250-1000SuperconductorCo100-600MagneticsFe100-600MagneticsFe-Co100-600MagneticsGe200IRGuideLaB6200CathodeFilamentNb200SuperconductorSi200ModelSEMI/SUPERCONDUCTORS&METALLICS

.MaterialDiameter(micron)Appli22PEROVSKITES

MaterialCommonNameDiameter(micron)ApplicationBaTiO3BariumTitantate300-800FerroelectricBaTiO3BariumTitantate300-800FerroelectricLiNbO3LithiumNiobate20-800NLO,SAWLiNbO3:Nd3+

600LaserLiNbO3:MgO

50-200NLO,LaserHostLiTaO3LithiumTantalate600SAWSrTiO3StrontiumTitanate600OpticalProp.YAlO3:TiYAP:Ti500-1000Laser.PEROVSKITESMaterialCommonNam23LHPG技術(shù)的特點(diǎn)應(yīng)用廣泛，功能強(qiáng)大技術(shù)成熟，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)不大國內(nèi)有應(yīng)用需求.LHPG技術(shù)的特點(diǎn)應(yīng)用廣泛，功能強(qiáng)大.24初步設(shè)想.初步設(shè)想.25初步設(shè)想基本結(jié)構(gòu)

激光源：100~150W,激光腔水冷，能量起伏?。还鈱W(xué)系統(tǒng)：聚焦鏡上置，激光聚焦盡量可調(diào)

機(jī)械系統(tǒng)：絲杠電機(jī)：能鎖定纖維和原棒的速率比，運(yùn)行穩(wěn)定

直徑測量、反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng),設(shè)計(jì)。

測溫系統(tǒng)可以不要.初步設(shè)想基本結(jié)構(gòu).26激光區(qū)熔模式的選擇

水平區(qū)熔、垂直區(qū)熔？

基座法、普通區(qū)熔法？.激光區(qū)熔模式的選擇.27

謝謝！

.謝謝28激光基座法晶體生長（LHPG）技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

2009年10月.激光基座法晶體生長（LHPG）技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用2009年129一、激光基座法（LHPG）技術(shù)的簡介

二、激光基座法設(shè)備及改進(jìn)

三、激光基座法技術(shù)的應(yīng)用四、初步的設(shè)想

..30一、LHPG技術(shù)簡介1、激光是一種很好的加熱源特點(diǎn)：a很高的能量密度，幾乎可以熔化所有難熔材料；b能量集中，可得到很高的溫度梯度；c直接照射在材料上，不需坩堝，不引入雜質(zhì)，而且不受氣氛的影響。2、激光區(qū)熔分類.一、LHPG技術(shù)簡介1、激光是一種很好的加熱源.313、LHPG技術(shù)的原理.3、LHPG技術(shù)的原理.324、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程早期的嘗試1969年Eichhoff和Gürs紅寶石浮區(qū)生長

1970年

Gasson和Cockayne其他氧化物

70年代中期Burrus和Stone首次采用LHPG技術(shù)制備紅寶石、Nd:Y2O、Nd:YAG單晶纖維制微型固體激光器優(yōu)勢：提高器件的效率、提高能量密度以及降低閥值，引起人們對該技術(shù)的關(guān)注

MultipleBeamLaserSystems的設(shè)計(jì)，生長的晶體表面質(zhì)量不能保證、應(yīng)用受到限制

.4、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程早期的嘗試.3380年代光纖通訊的發(fā)展對單晶纖維需求激光材料、光電調(diào)節(jié)器、光電開關(guān)、耦合器、絕緣體、傳輸線路、遠(yuǎn)程傳感等

制備單晶纖維可采用的技術(shù)：

①theEFGmethod;②pullingthroughadie;③float-zone(pedestal)growth;④solidificationincapillarytubes;⑤capillarydrawing;⑥pressurizedcapillary-fedgrowth.LHPG技術(shù)優(yōu)勢明顯：速度快（mm/min級）、無污染、受材料限制小、纖維成份可調(diào)等4、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程.80年代光纖通訊的發(fā)展對單晶纖維需求4、LHPG技術(shù)的發(fā)展3483年Stanford大學(xué)

M.M.Fejer等人開發(fā)出laser-heatedminiaturepedestalgrowthapparatus

4、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程直徑起伏0.1%-1%、光學(xué)損失<2%/mm，平均每天可制備單晶纖維14根.83年Stanford大學(xué)M.M.Fejer等人開發(fā)35

4、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程1986年，R.S.Feigelson采用該技術(shù)制備單晶纖維，對LHPG技術(shù)很高的評價(jià)：fast,inexpensive,themostversatileandsimplest并認(rèn)為該技術(shù)也是材料研究的強(qiáng)大工具，尤其是研究晶體缺陷、亞穩(wěn)生長、共晶凝固、鐵電籌形成等。

.4、LHPG技術(shù)的發(fā)展歷程1986年，R.S.Feig361988年美國GlennResearchCenter推出商品化的設(shè)備

LaserFloat-ZoneProcessImprovements改進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)得到廣泛的采用，英國、德國、日本、巴西、葡萄牙、臺灣等開始開發(fā)和利用類似的設(shè)備進(jìn)行材料研究，研究范圍涉及光學(xué)材料、功能材料、半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料及高溫結(jié)構(gòu)材料

4、LHPG技術(shù)發(fā)展歷程.4、LHPG技術(shù)發(fā)展歷程.37二、激光基座法設(shè)備及改進(jìn)

Laserheatedfibergrowthfurnace特點(diǎn)：

生長陶瓷纖維

Multi-WaveTMpyrometer

測量范圍~3000oC

測量微區(qū)75微米

應(yīng)用：

NASA’sHighTemperatureEngineMaterialProgramUSAFOfficeofScientificResearch

.二、激光基座法設(shè)備及改進(jìn)Laserheatedfibe38美國俄核俄州LewisResearchCenter.美國俄核俄州LewisResearchCenter.39設(shè)備原理圖.設(shè)備原理圖.40Blockdiagramoffibergrowthapparatus.Blockdiagramoffibergrowth41光學(xué)系統(tǒng)激光源：15W偏振波導(dǎo)CO2激光，輸出能量起伏小于1%電光能量控制系統(tǒng)、新穎的聚焦系統(tǒng)

.光學(xué)系統(tǒng).42機(jī)械系統(tǒng)絲杠傳動→皮帶（樹脂）傳動狀態(tài)可鎖直流電機(jī)（100ms速度調(diào)節(jié)100：1）.機(jī)械系統(tǒng).43直徑測量系統(tǒng)

直徑辨析<0.02%,軸向辨析5μm,測量頻率1KHz.直徑測量系統(tǒng).44日本YasuyukiSugiyama等制備SBN:60(1993)Growthspeed0.2~2.5mm/minAfterheater200~300℃

.日本YasuyukiSugiyama等制備SBN:60(45臺灣國立大學(xué)JYH-Chen等在激光區(qū)熔設(shè)備中加入熱成像設(shè)備對熔體進(jìn)行控制（1994）D.Reyes等，在介質(zhì)和等靜壓環(huán)境生長晶體的改良激光加熱區(qū)熔設(shè)備（1999年12月）

alargerangeofpressure(100mbarup

to100bar)

.臺灣國立大學(xué)JYH-Chen等在激光區(qū)熔設(shè)備中加入熱成像設(shè)備46三、激光基座法技術(shù)的應(yīng)用93年MassachusettsInstituteofTechnology,J.Sigalovsky等制備MgAl2O4,用于研究高溫復(fù)合材料的強(qiáng)化纖維93年Yasuyuki利用該技術(shù)研究鈮酸鋇鍶非線性光學(xué)材料94年巴西圣保羅大學(xué)Prokofiev等利用該技術(shù)研究光存儲材料Bi12SiO20、Bi12TiO2097年Y.Waku等采用該技術(shù)制備氧化物共晶復(fù)合材料，并在nature發(fā)表文章90年代開始，英國格拉斯哥大學(xué)Drjames、H.Sharp利用此技術(shù)生產(chǎn)纖維光學(xué)傳感器.三、激光基座法技術(shù)的應(yīng)用93年MassachusettsI4701年臺灣Chao-ChangHu等用該技術(shù)研究YIG（釔鐵石榴石）單晶纖維的制備01年德國歌德大學(xué)F.Bullesfeld等用該技術(shù)研究巨磁效應(yīng)材料La(1-x)SrxMnO3的生長03年格倫研究中心用該技術(shù)制備出一種單晶高溫氧化物，高溫蠕變后100%變形恢復(fù)04年BreckHitz制備出有良好激光參數(shù)的Nd:YVO4單晶04年葡萄牙Aveiro大學(xué)Carrasco等研究了電場對Bi2Sr2Ca2Cu4O11超導(dǎo)纖維制備的影響.01年臺灣Chao-ChangHu等用該技術(shù)研究YIG（釔48MaterialCommonNameDiameter(micron)ApplicationAl2O3Sapphire55-800BeamDeliveryAl2O3:Cr3+Ruby3-170LaserAl2O3:Ti3+Ti:sapphire200-800LaserLu2O3:Cr600LaserNb2O5700-1700OpticalProp.Sc2O3:Cr600LaserTiO2500-1000MaterialStudyY2O3:Cr600LaserY2O3:Eu500-800Laser簡單氧化物.MaterialCommonNameDiameter(m49MaterialDiameter(micron)ApplicationB9C200ThermoelectricBi2Sr2CaCu2O8250-1000SuperconductorBi1.8Sr1.8Ca1.2Cu2.2O8250-1000SuperconductorCo100-600MagneticsFe100-600MagneticsFe-Co100-600MagneticsGe200IRGuideLaB6200Cath