[发明专利]利用微下拉法生长稀土晶体光纤的优化方法

权利要求书

1.微下拉法中稀土晶体光纤生长速率的计算方法，其特征在于，包括以下步骤，

1)依据结晶生长的化学键合理论，确定稀土晶体的热力学生长形态；

2)基于上述步骤得到的稀土晶体的热力学生长形态，确定与轴向生长方向相对应的径向生长方向，及生长界面处的各向异性化学键合结构；

3)基于上述步骤得到的生长界面处的各向异性化学键合结构，参照式(I)，计算稀土晶体沿轴向的各向化学键合能量密度和沿径向的各向化学键合能量密度；

其中，为沿[uvw]方向生长的化学键合能；

A_uvw为生长基元沿[uvw]方向的投影面积；

d_uvw为晶体沿[uvw]方向的台阶高度；

4)基于上述步骤得到的稀土晶体沿轴向和径向的各向化学键合能量密度，计算得到稀土晶体光纤的生长速率，如式(II)所示；

其中，m为坩埚中稀土晶体的质量，r为坩埚底毛细孔的半径，r₁为从毛细管中心到管壁的物理距离，r₂为从毛细管中心到边界层的距离，l为坩埚底端毛细管的长度，t为单位时间，D为晶体光纤的直径，R_fiber为直径为D的晶体光纤生长速率；

(E_bond/A_uvwd_uvw)_radial为稀土晶体沿径向方向的化学键合能量密度；

(E_bond/A_uvwd_uvw)_axial为稀土晶体沿轴向方向的化学键合能量密度；

所述式(II)由以下步骤得到：

a)参照式(1)，得到稀土晶体熔体向下流动的压差ΔP，再参照式(1`)，计算得到物料向下流动的推动力F；

F＝ΔP·S₁ (1`)，

其中，F是毛细管内熔体向下流动的推动力，ΔP是压差，S₁是毛细管端面面积；

G是坩埚内熔体的重力，r为坩埚底毛细孔的半径，(E_bond/A_uvwd_uvw)_axial是稀土晶体沿轴向方向的化学键合能量密度；

基于式(2)，推导后得到坩埚底端毛细管内的摩擦力f，参照式(3)；

其中，f为坩埚底端毛细管内摩擦力，η为熔体的粘度系数，S₂为毛细管侧表面面积，r为坩埚底毛细孔的半径，dv/dr为熔体的速度梯度；t为单位时间，(E_bond/A_uvwd_uvw)_radial为稀土晶体沿径向方向的化学键合能量密度，l为坩埚底端毛细管的长度；

b)基于在稳态生长状态下，微下拉晶体光纤生长过程中，毛细管内沿垂直方向的力平衡，毛细管内熔体向下流动的推动力等于坩埚底端毛细管内摩擦力，参照式(4)；

c)建立边界条件，其中r＝r₁,v＝0；r＝r₂，v＝v_pore，结合公式(4)，得到毛细管中熔体向下流动的速率，参照式(5)；

其中，r₁为从毛细管中心到管壁的物理距离，r₂为从毛细管中心到边界层的距离，v_pore为毛细管中熔体向下流动的速率；

d)基于上述步骤得到的毛细管中熔体向下流动的速率，当流体流出毛细管后，浸润坩埚底端后，在固/液/固界面区内生长，根据质量守恒，得到直径为D的晶体光纤生长速率R_fiber，如式(II)所示。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述稀土晶体包括掺杂钇铝石榴石晶体、钇铝石榴石晶体、钆镓石榴石晶体、掺杂钆镓石榴石晶体、镥铝石榴石晶体、掺杂镥铝石榴石晶体、钆铝/镓石榴石晶体、掺杂钆铝/镓石榴石晶体和稀土硅酸盐晶体中的一种或多种；

所述稀土晶体光纤的等径尺寸为1～3mm；

所述稀土晶体光纤的生长速率为0.5～12mm/min；

所述稀土晶体光纤的生长速率中包括稀土晶体光纤的最适宜生长速率。