[发明专利]利用微下拉法生长稀土晶体光纤的优化方法

说明书

本发明提供了微下拉法中稀土晶体光纤生长速率的计算方法，包括以下步骤，首先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；然后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；再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；最后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。

技术领域

本发明属于稀土晶体材料技术领域，涉及一种稀土晶体光纤的生长方法，尤其涉及微下拉法中稀土晶体光纤生长速率的计算方法、微下拉法中稀土晶体光纤生长速率的计算系统以及利用微下拉法生长稀土晶体光纤的优化方法。

背景技术

稀土是国家的重要战略资源，作为稀土材料的重要分支之一，稀土晶体指稀土元素可以完整占据结晶学结构中某一格点的晶体，稀土激光晶体被广泛地应用于光纤通讯、国防安全、民生健康等国家重点领域。在诸多类型的晶体材料中，单晶光纤外型上秉承了玻璃光纤的高长径比和大比表面积，同时兼具晶体块材的性能优势。作为激光增益介质时，介于传统体块单晶和玻璃光纤之间，结合了单晶增益和光纤激光的核心理念，这类新型材料不仅具有单晶优良的光学、热学性能，而且具有玻璃光纤激光转换效率高的优势。

同时，稀土激光晶体光纤的制备有利于新型激光技术的开发，能够极大程度上解决增益介质的热效应，实现大功率输出。目前，国际上关于单晶光纤的研究可分为两种思路。一种是直接借鉴传统玻璃光纤激光的概念，以直径几十微米的掺杂YAG单晶作为纤芯，通过直接拉制或后处理的方式合成包层结构，最终得到带包层的柔性可弯曲单晶光纤。Shasta Crystals公司的Maxwell 团队以及Rutgers大学的Harrington研究小组在该方向做出了大量工作。另一种单晶光纤的思路由法国科学院的Georges等人提出，作为传统体块固体激光和光纤激光的中间过渡形式，其典型直径为400μm到1mm、长度为40-60 mm。以空气作为包层，多模泵浦光射入单晶光纤并形成波导，激光的振荡则依靠两端加腔镜来实现，从而保证输出激光的光束质量。2012年，美国海军研究室综合评价了单晶光纤在实现高功率激光输出方面的优势。2016年，美国陆军研究实验室首次在国际上报道了单晶光纤的光波导激光输出。

目前单晶光纤的制备方法主要是采用激光加热基座法和微下拉法，其中微下拉(micro-pulling down)晶体生长方法是近年来发展的高效晶体生长技术，可快速生长出小尺寸的体单晶以及高长径比的单晶光纤材料。微下拉法是一种熔体晶体的生长技术，利用坩埚底部的微通孔作为熔体传输通道，向固/液界面传质，通过籽晶向下牵引实现晶体光纤生长的生长技术。该方法具有用料少、生长速度快、试验周期短、晶体截面形状可控等优点，可生长稀土氧化物、稀土卤化物等多种稀土晶体材料。而晶体光纤生长速率则是指单位时间内晶体长度的增长量。

微下拉晶体生长技术最初由法国的J.Ricard在1975年提出，从1994年后被日本东北大学的Fukuda教授大力发展，成功生长系列氧化物和卤化物晶体光纤材料。进入2000年后，法国的Fibercryst SAS和Charles Fabry公司利用微下拉技术在生长YAG单晶光纤方面做出突出工作，可稳定生长Nd³⁺、 Yb³⁺、Er³⁺等掺杂YAG单晶光纤。

另一方面，由于较短的生长周期，微下拉法还可以作为稀土新晶体的快速筛选方法，用于快速获知稀土新晶体的性能。然而，不同于激光加热基座法，微下拉法生长晶体光纤需要搭建合适的温场结构和温度梯度，匹配合适的生长速度获得更高品质的晶体材料。近年来，采用全局数值模拟微下拉晶体生长体系中的流场分布，以期能够用于改进生长的温度场结构。采用非稳态计算获得微下拉生长中的主要影响因素，计算结果发现熔体高度的极限值与晶体尺寸和热毛细流影响有关；此外，晶体拉伸速率的极限与温度梯度有关，与坩埚温度和环境温度无关。Rudolph等从晶体生长结晶界面热平衡的角度指出籽晶提拉速率存在极值。