激光基座法晶体生长LHPG
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ge LaB6 Nb Si
Diameter (micron)
200 250 - 1000 250 - 1000 100 - 600 100 - 600 100 - 600 200 200 200 200
Application
Thermoelectric Superconductor Superconductor Magnetics Magnetics Magnetics IR Guide Cathode Filament Superconductor Model
S合ig材al料ov的sky强等化制纤备维MgAl2O4 , 用于研究高温复
• 93年Yasuyuki利用该技术研究铌酸钡锶非线
性光学材料
• 94年巴西圣保罗大学Prokofiev等利用该技
术研究光存储材料Bi12SiO20 、 Bi12TiO20
• 97年Y. Waku等采用该技术制备氧化物共晶
复合材料，并在nature发表文章
D. Reyes等，在介质和等静压环境生长晶体 的改良激光加热区熔设备 （1999年12月）
a large range of pressure (100 mbar up to 100 bar)
三、激光基座法技术的应用
• 93年Massachusetts Institute of Technology, J.
直径起伏 0.1%-1% 、光学损失< 2%/mm，平均 每天可制备单晶纤维14根
4、 LHPG技术的发展历程
1986年，R.S. Feigelson采用该技术制备单晶纤 维，对LHPG技术很高的评价： fast, inexpensive,
the most versatile and simplest 并认为该技术也是材料研究的强大工具，尤其是研
⑤ capillary drawing; ⑥ pressurized capillary-fed growth. LHPG技术优势明显：速度快（mm/min 级）、 无污染、受材料限制小、纤维成份可调等
4、 LHPG技术的发展历程
• 83年Stanford 大学 M.M. Fejer等人开发出
laser-heated miniature pedestal growth apparatus
而且不受气氛的影响。
2、激光区熔分类
3、LHPG技术的原理
4、 LHPG技术的发展历程
• 早期的尝试
1969年ELeabharlann Baiduchhoff和Gürs红宝石浮区生长 1970年 Gasson和Cockayne 其他氧化物
• 70年代中期Burrus和 Stone首次采用LHPG技术制
备激红光宝器石、Nd:Y2O 、Nd:YAG单晶纤维制微型固体 优势：提高器件的效率、提高能量密度以及降低阀 值 ，引起人们对该技术的关注
直径测量系统
直径辨析< 0.02% , 轴向辨析5μm, 测量频率1KHz
日本Yasuyuki Sugiyama等制备SBN:60 (1993)
Growth speed 0.2~2.5mm/min Afterheater 200~300℃
台湾国立大学JYH-Chen等在激光区熔设备中 加入热成像设备对熔体进行控制（1994）
LiTaO3 SrTiO3 YAlO3:Ti
Lithium Tantalate 600
Strontium Titanate 600
YAP: Ti
500-1000
Application
Ferroelectric Ferroelectric NLO, SAW Laser NLO, Laser Host SAW Optical Prop. Laser
Multiple Beam Laser Systems的设计，生长的晶 体表面质量不能保证、应用受到限制
4、 LHPG技术的发展历程
• 80年代光纤通讯的发展对单晶纤维需求
激光材料、光电调节器、光电开关、耦合 器、绝缘体、传输线路、远程传感等 制备单晶纤维可采用的技术：
① the EFG method; ②pulling through a die; ③ floatzone(pedestal) growth; ④ solidification in capillary tubes;
LHPG技术的特点
• 应用广泛，功能强大 • 技术成熟，开发风险不大 • 国内有应用需求
初步设想
初步设想
• 基本结构
激光源：100~150W, 激光腔水冷，能量起伏小； 光学系统：聚焦镜上置，激光聚焦尽量可调 机械系统：丝杠
电机：能锁定纤维和原棒的速率比，运行稳定 直径测量、反馈调节系统, 设计。
Application
Beam Delivery Laser Laser Laser
Optical Prop. Laser
Material Study Laser Laser
SEMI/SUPERCONDUCTORS & METALLICS
Material
B9C Bi2Sr2CaCu2O8 Bi1.8Sr1.8Ca1.2Cu2.2O8 Co Fe Fe-Co
美国俄核俄州Lewis Research Center
设 备 原 理 图
Block diagram of fiber growth apparatus
光学系统
激光源：15W偏振波导CO2激光，输出能量起伏小于1% 电光能量控制系统、新颖的聚焦系统
机械系统 丝杠传动→皮带（树脂）传动 状态可锁直流电机（100ms速度调节100：1）
• 90年代开始，英国格拉斯哥大学 Dr james、
H.Sharp利用此技术生产纤维光学传感器
• 01年台湾Chao-Chang Hu等用该技术研究YIG
（钇铁石榴石）单晶纤维的制备
• 01年德国歌德大学F. Bullesfeld等用该技术研
究巨磁效应材料La(1-x)SrxMnO3 的生长
• 03年格伦研究中心用该技术制备出一种单晶
测温系统可以不要
激光区熔模式的选择
水平区熔、垂直区熔？ 基座法、普通区熔法？
谢 谢！
Nb2O5 Sc2O3 : Cr
TiO2 Y2O3 : Cr Y2O3 : Eu
Common Name
Sapphire Ruby
Ti:sapphire
Diameter (micron) 55 - 800 3 - 170 200 - 800
600 700 - 1700
600 500 - 1000
600 500 - 800
二、激光基座法设备及改进
Laser heated fiber growth furnace
特点：
生长陶瓷纤维
Multi-WaveTM pyrometer 测量范围~3000oC 测量微区75微米
应用：
NASA’s High Temperature Engine Material Program
USAF Office of Scientific Research
究晶体缺陷、亚稳生长、共晶凝固、铁电筹形成等。
4、 LHPG技术发展历程
• 1988年美国Glenn Research Center推出商
品化的设备 Laser Float-Zone Process
Improvements
• 改进的光学系统得到广泛的采用，英国、德
国、日本、巴西、葡萄牙、台湾等开始开发 和利用类似的设备进行材料研究，研究范围 涉及光学材料、功能材料、半导体、超导材 料及高温结构材料
激光基座法晶体生长（LHPG） 技术的发展及应用
2009年10月
一、激光基座法（LHPG）技术的简介 二、激光基座法设备及改进 三、激光基座法技术的应用 四、初步的设想
一、LHPG技术简介
1、激光是一种很好的加热源
特点：a 很高的能量密度，几乎可以熔化所有难熔材料；
b 能量集中，可得到很高的温度梯度； c 直接照射在材料上，不需坩埚，不引入杂质，
PEROVSKITES
Material
Common Name Diameter (micron)
BaTiO3
Barium Titantate
BaTiO3
Barium Titantate
LiNbO3
Lithium Niobate
LiNbO3 : Nd3+
LiNbO3 : MgO
300 - 800 300 - 800 20 - 800 600 50 - 200
高温氧化物，高温蠕变后100%变形恢复
• 04年Breck Hitz制备出有良好激光参数的
Nd:YVO4单晶
• 04年葡萄牙Aveiro大学Carrasco等研究了电场
对Bi2Sr2Ca2Cu4O11 超导纤维制备的影响
简单氧化物
Material
Al2O3 Al2O3 : Cr3+ Al2O3 : Ti3+ Lu2O3: Cr
Diameter (micron)
200 250 - 1000 250 - 1000 100 - 600 100 - 600 100 - 600 200 200 200 200
Application
Thermoelectric Superconductor Superconductor Magnetics Magnetics Magnetics IR Guide Cathode Filament Superconductor Model
S合ig材al料ov的sky强等化制纤备维MgAl2O4 , 用于研究高温复
• 93年Yasuyuki利用该技术研究铌酸钡锶非线
性光学材料
• 94年巴西圣保罗大学Prokofiev等利用该技
术研究光存储材料Bi12SiO20 、 Bi12TiO20
• 97年Y. Waku等采用该技术制备氧化物共晶
复合材料，并在nature发表文章
D. Reyes等，在介质和等静压环境生长晶体 的改良激光加热区熔设备 （1999年12月）
a large range of pressure (100 mbar up to 100 bar)
三、激光基座法技术的应用
• 93年Massachusetts Institute of Technology, J.
直径起伏 0.1%-1% 、光学损失< 2%/mm，平均 每天可制备单晶纤维14根
4、 LHPG技术的发展历程
1986年，R.S. Feigelson采用该技术制备单晶纤 维，对LHPG技术很高的评价： fast, inexpensive,
the most versatile and simplest 并认为该技术也是材料研究的强大工具，尤其是研
⑤ capillary drawing; ⑥ pressurized capillary-fed growth. LHPG技术优势明显：速度快（mm/min 级）、 无污染、受材料限制小、纤维成份可调等
4、 LHPG技术的发展历程
• 83年Stanford 大学 M.M. Fejer等人开发出
laser-heated miniature pedestal growth apparatus
而且不受气氛的影响。
2、激光区熔分类
3、LHPG技术的原理
4、 LHPG技术的发展历程
• 早期的尝试
1969年ELeabharlann Baiduchhoff和Gürs红宝石浮区生长 1970年 Gasson和Cockayne 其他氧化物
• 70年代中期Burrus和 Stone首次采用LHPG技术制
备激红光宝器石、Nd:Y2O 、Nd:YAG单晶纤维制微型固体 优势：提高器件的效率、提高能量密度以及降低阀 值 ，引起人们对该技术的关注
直径测量系统
直径辨析< 0.02% , 轴向辨析5μm, 测量频率1KHz
日本Yasuyuki Sugiyama等制备SBN:60 (1993)
Growth speed 0.2~2.5mm/min Afterheater 200~300℃
台湾国立大学JYH-Chen等在激光区熔设备中 加入热成像设备对熔体进行控制（1994）
LiTaO3 SrTiO3 YAlO3:Ti
Lithium Tantalate 600
Strontium Titanate 600
YAP: Ti
500-1000
Application
Ferroelectric Ferroelectric NLO, SAW Laser NLO, Laser Host SAW Optical Prop. Laser
Multiple Beam Laser Systems的设计，生长的晶 体表面质量不能保证、应用受到限制
4、 LHPG技术的发展历程
• 80年代光纤通讯的发展对单晶纤维需求
激光材料、光电调节器、光电开关、耦合 器、绝缘体、传输线路、远程传感等 制备单晶纤维可采用的技术：
① the EFG method; ②pulling through a die; ③ floatzone(pedestal) growth; ④ solidification in capillary tubes;
LHPG技术的特点
• 应用广泛，功能强大 • 技术成熟，开发风险不大 • 国内有应用需求
初步设想
初步设想
• 基本结构
激光源：100~150W, 激光腔水冷，能量起伏小； 光学系统：聚焦镜上置，激光聚焦尽量可调 机械系统：丝杠
电机：能锁定纤维和原棒的速率比，运行稳定 直径测量、反馈调节系统, 设计。
Application
Beam Delivery Laser Laser Laser
Optical Prop. Laser
Material Study Laser Laser
SEMI/SUPERCONDUCTORS & METALLICS
Material
B9C Bi2Sr2CaCu2O8 Bi1.8Sr1.8Ca1.2Cu2.2O8 Co Fe Fe-Co
美国俄核俄州Lewis Research Center
设 备 原 理 图
Block diagram of fiber growth apparatus
光学系统
激光源：15W偏振波导CO2激光，输出能量起伏小于1% 电光能量控制系统、新颖的聚焦系统
机械系统 丝杠传动→皮带（树脂）传动 状态可锁直流电机（100ms速度调节100：1）
• 90年代开始，英国格拉斯哥大学 Dr james、
H.Sharp利用此技术生产纤维光学传感器
• 01年台湾Chao-Chang Hu等用该技术研究YIG
（钇铁石榴石）单晶纤维的制备
• 01年德国歌德大学F. Bullesfeld等用该技术研
究巨磁效应材料La(1-x)SrxMnO3 的生长
• 03年格伦研究中心用该技术制备出一种单晶
测温系统可以不要
激光区熔模式的选择
水平区熔、垂直区熔？ 基座法、普通区熔法？
谢 谢！
Nb2O5 Sc2O3 : Cr
TiO2 Y2O3 : Cr Y2O3 : Eu
Common Name
Sapphire Ruby
Ti:sapphire
Diameter (micron) 55 - 800 3 - 170 200 - 800
600 700 - 1700
600 500 - 1000
600 500 - 800
二、激光基座法设备及改进
Laser heated fiber growth furnace
特点：
生长陶瓷纤维
Multi-WaveTM pyrometer 测量范围~3000oC 测量微区75微米
应用：
NASA’s High Temperature Engine Material Program
USAF Office of Scientific Research
究晶体缺陷、亚稳生长、共晶凝固、铁电筹形成等。
4、 LHPG技术发展历程
• 1988年美国Glenn Research Center推出商
品化的设备 Laser Float-Zone Process
Improvements
• 改进的光学系统得到广泛的采用，英国、德
国、日本、巴西、葡萄牙、台湾等开始开发 和利用类似的设备进行材料研究，研究范围 涉及光学材料、功能材料、半导体、超导材 料及高温结构材料
激光基座法晶体生长（LHPG） 技术的发展及应用
2009年10月
一、激光基座法（LHPG）技术的简介 二、激光基座法设备及改进 三、激光基座法技术的应用 四、初步的设想
一、LHPG技术简介
1、激光是一种很好的加热源
特点：a 很高的能量密度，几乎可以熔化所有难熔材料；
b 能量集中，可得到很高的温度梯度； c 直接照射在材料上，不需坩埚，不引入杂质，
PEROVSKITES
Material
Common Name Diameter (micron)
BaTiO3
Barium Titantate
BaTiO3
Barium Titantate
LiNbO3
Lithium Niobate
LiNbO3 : Nd3+
LiNbO3 : MgO
300 - 800 300 - 800 20 - 800 600 50 - 200
高温氧化物，高温蠕变后100%变形恢复
• 04年Breck Hitz制备出有良好激光参数的
Nd:YVO4单晶
• 04年葡萄牙Aveiro大学Carrasco等研究了电场
对Bi2Sr2Ca2Cu4O11 超导纤维制备的影响
简单氧化物
Material
Al2O3 Al2O3 : Cr3+ Al2O3 : Ti3+ Lu2O3: Cr