生长可弯曲柔性稀土单晶光纤的坩埚及微下拉法生长可弯曲柔性稀土单晶光纤的方法技术

本发明专利技术提供了一种用于微下拉法生长可弯曲柔性稀土单晶光纤的坩埚，所述坩埚的底部通过锥形孔与毛细管相连通；所述锥形孔的大孔位于所述坩埚底部，所述锥形孔的小孔与毛细管相连通；所述坩埚的底部为平面；所述锥形孔的锥形斜边与所述坩埚底部连接处设置有圆形倒角；所述稀土单晶包括钇铁石榴石单晶或掺杂钇铁石榴石单晶。本发明专利技术设计的具有特殊结构的坩埚，靠近底端开孔的坩埚内壁和毛细孔采用锥形管连接设计，保障熔体流动性，实现了可弯曲单晶光纤的可控生长。本发明专利技术还提供了微下拉法中稀土单晶光纤生长速率的计算方法，利用该坩埚配套温度场结构结合理论计算，实现了可弯曲单晶光纤的微下拉法生长，最终得到了高品质的柔性单晶光纤。性单晶光纤。

【技术实现步骤摘要】
生长可弯曲柔性稀土单晶光纤的坩埚及微下拉法生长可弯曲柔性稀土单晶光纤的方法


[0001]本专利技术属于稀土单晶材料
，尤其涉及一种用于微下拉法生长可弯曲柔性稀土单晶光纤的坩埚、微下拉法生长可弯曲柔性稀土单晶光纤的方法以及微下拉法中可弯曲柔性稀土单晶光纤生长速率的计算方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着光纤技术的日益更新和快速发展，对柔性光纤的研究及应用已经成为纤维光学发展的重要发展方向之一。高分辨率柔性光纤传像束因其柔软可弯曲性能好、单丝直径细和分辨率高等优势，已作为高清晰度成像仪器中的核心光学器件被广泛应用在在医学、工业、科研和军事和航空航天领域中。以柔性红外光纤传像束作为传输元件，与红外成像探测器连接，可实现高质量红外图像传递，大大降低系统重量和减小系统体积，显著降低红外系统成本，提高系统性能，可用于探测强电磁场所、危险环境、狭窄空间或小孔内物体的热分布，在国防、医疗和工业检测等领域具有非常重要的应用前景。
[0003]由于常用氧化物玻璃长波红外多声子吸收的缘故，其光纤传像束无法应用于波长大于2.5μm的红外波段。近年来，通过内视镜的微创激光医疗需要相应的柔性光纤。目前在内视镜中用于激光传输的多为石英光导纤维，因为石英光纤可以安全地应用于人体。医疗内视镜中用石英光纤传输波长为1.06 μm的Nd:YAG激光及波长为2.1μm的Ho:YAG激光已有报道。但波长为2μm 的中红外激光已经达到石英光纤的传输极限。在照明领域，特种玻璃制造商肖特最新的照明技术采用刚性和柔性玻璃光纤制成的导光管与新颖光源结合。由于玻璃光纤具有良好的柔韧性，它们能被轻易地嵌入狭小的空间中，实现功能性照明和环境照明融合成一套卓越的整体解决方案。
[0004]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。相比于多声子吸收的玻璃光纤，稀土掺杂单晶光纤的发光波段可达到～3.0μm的中红外波段。
[0005]目前，国际上关于生长单晶光纤的方法主要有两种：激光基座加热法和微下拉法。利用激光基座加热法能够生长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。然而，由于该方法在生长界面处的温度梯度过大使得晶体质量难以保障。而利用微下拉法生长单晶光纤能够很好地弥补激光基座法带来的晶体质量上的不足。但是，微下拉法生长的单晶光纤由于最小直径在1 mm以上，从而使得到品质的单晶光纤是刚性的。
[0006]因此，亟待找到一种更为适宜的方式突破现有的生长技术的桎梏，能够得到高品
质的柔性可弯曲的单晶光纤，已成为已成为了应用领域诸多前沿学者广为关注的焦点之一。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种用于微下拉法生长可弯曲柔性稀土单晶光纤的坩埚，本专利技术通过特殊设计的坩埚，配套温度场结构结合理论计算，实现了可弯曲单晶光纤的微下拉法生长。
[0008]本专利技术提供了一种用于微下拉法生长可弯曲柔性稀土单晶光纤的坩埚，所述坩埚的底部通过锥形孔与毛细管相连通；
[0009]所述锥形孔的大孔位于所述坩埚底部，所述锥形孔的小孔与毛细管相连通；
[0010]所述坩埚的底部为平面；
[0011]所述锥形孔的锥形斜边与所述坩埚底部连接处设置有圆形倒角；
[0012]所述稀土单晶包括钇铁石榴石单晶或掺杂钇铁石榴石单晶。
[0013]优选的，所述锥形孔的大孔的直径为0.1～2.5mm；
[0014]所述毛细管的直径为0.1～0.95mm；
[0015]所述锥形孔的锥形斜边与所述坩埚底部的夹角为0
°
～24
°
。
[0016]优选的，所述锥形孔的高度为0.1～25mm；
[0017]所述锥形孔的个数为1个；
[0018]所述坩埚的底部的厚度为0.5～1.5mm；
[0019]所述坩埚的直径为10～15mm；
[0020]所述坩埚的高度为25～50mm。
[0021]优选的，所述坩埚的材质优选包括Pt、Ir、Re、Mo和石墨中的一种或多种；
[0022]所述毛细管的长度为0.2～3mm；
[0023]所述坩埚的形貌和参数，由稀土单晶光纤的生长速率公式，经计算后得到；
[0024]所述坩埚的形貌包括坩埚底部的形貌选择、坩埚中是否设置锥形孔以及锥形孔的锥形斜边与坩埚底部连接处是否设置圆形倒角中的一种或多种；
[0025]所述坩埚的参数包括锥形孔的大孔直径、毛细管的直径、锥形孔的锥形斜边与所述坩埚底部的夹角、锥形孔的高度以及毛细管的长度中的一种或多种。
[0026]优选的，所述毛细管的直径由稀土单晶光纤的生长速率公式，经计算后得到；
[0027]所述锥形孔的大孔的直径由稀土单晶光纤的生长速率公式，经计算后得到；
[0028]所述锥形孔的锥形斜边与所述坩埚底部的夹角由稀土单晶光纤的生长速率公式，经计算后得到；
[0029]所述坩埚的底部的选择由稀土单晶光纤的生长速率公式，经计算后得到；
[0030]所述坩埚的参数的计算，还基于稀土单晶的粘度、润湿性和密度中的一种或多种，进行计算。
[0031]优选的，所述稀土单晶光纤的生长速率公式，如式(II)所示；
[0032][0033]其中，m为坩埚中稀土单晶的质量，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为单晶光纤的直径，D＝0.1～0.95mm，R
fiber
为直径为D的单晶光纤生长速率；
[0034](E
bond
/A
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d
uvw
)
radial
为稀土单晶沿径向方向的化学键合能量密度；
[0035](E
bond
/A
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d
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)
axial
为稀土单晶沿轴向方向的化学键合能量密度。
[0036]优选的，所述式(II)由以下步骤得到：
[0037]a)参照式(1)，得到稀土单晶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；
[0038][0039]F＝ΔP
·
S1ꢀꢀꢀ
(1`)，
[0040]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；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于微下拉法生长可弯曲柔性稀土单晶光纤的坩埚，其特征在于，所述坩埚的底部通过锥形孔与毛细管相连通；所述锥形孔的大孔位于所述坩埚底部，所述锥形孔的小孔与毛细管相连通；所述坩埚的底部为平面；所述锥形孔的锥形斜边与所述坩埚底部连接处设置有圆形倒角；所述稀土单晶包括钇铁石榴石单晶或掺杂钇铁石榴石单晶。2.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述锥形孔的大孔的直径为0.1～2.5mm；所述毛细管的直径为0.1～0.95mm；所述锥形孔的锥形斜边与所述坩埚底部的夹角为0
°
～24
°
。3.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述锥形孔的高度为0.1～25mm；所述锥形孔的个数为1个；所述坩埚的底部的厚度为0.5～1.5mm；所述坩埚的直径为10～15mm；所述坩埚的高度为25～50mm。4.根据权利要求1所述的坩埚，其特征在于，所述坩埚的材质优选包括Pt、Ir、Re、Mo和石墨中的一种或多种；所述毛细管的长度为0.2～3mm；所述坩埚的形貌和参数，由稀土单晶光纤的生长速率公式，经计算后得到；所述坩埚的形貌包括坩埚底部的形貌选择、坩埚中是否设置锥形孔以及锥形孔的锥形斜边与坩埚底部连接处是否设置圆形倒角中的一种或多种；所述坩埚的参数包括锥形孔的大孔直径、毛细管的直径、锥形孔的锥形斜边与所述坩埚底部的夹角、锥形孔的高度以及毛细管的长度中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的坩埚，其特征在于，所述毛细管的直径由稀土单晶光纤的生长速率公式，经计算后得到；所述锥形孔的大孔的直径由稀土单晶光纤的生长速率公式，经计算后得到；所述锥形孔的锥形斜边与所述坩埚底部的夹角由稀土单晶光纤的生长速率公式，经计算后得到；所述坩埚的底部的选择由稀土单晶光纤的生长速率公式，经计算后得到；所述坩埚的参数的计算，还基于稀土单晶的粘度、润湿性和密度中的一种或多种，进行计算。6.根据权利要求4所述的坩埚，其特征在于，所述稀土单晶光纤的生长速率公式，如式(II)所示；其中，m为坩埚中稀土单晶的质量，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为单晶光纤的直径，D＝0.1～0.95mm，R
fiber
为直径为D的单晶光纤生长速率；(E
bond
/A
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d
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)
radial
为稀土单晶沿径向方向的化学键合能量密度；(E
bond
/A
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d
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)
axial
为稀土单晶沿轴向方向的化学键合能量密度。7.根据权利要求6所述的坩埚，其特征在于，所述式(II)由以下步骤得到：a)参照式(1)，得到稀土单晶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G积；是坩埚内熔体的重力，r为坩埚底毛细孔的半径，(E
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)
axial
是稀土单晶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)；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
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radial
为稀土单晶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，微下拉单晶光纤生长...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛冬峰，陈昆峰，潘婷钰，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：