[發明專利]生長可彎曲柔性稀土單晶光纖的坩堝及微下拉法生長可彎曲柔性稀土單晶光纖的方法

在審

• 申請號: 202011463746.8
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112626611A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 薛冬峰;陳昆峰;潘婷鈺
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春應用化學研究所
• 主分類號: C30B15/08
• 分類號: C30B15/08;C30B15/10;C30B15/20;C30B29/28
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 劉樂

本發明提供了一種用于微下拉法生長可彎曲柔性稀土單晶光纖的坩堝，所述坩堝的底部通過錐形孔與毛細管相連通；所述錐形孔的大孔位于所述坩堝底部，所述錐形孔的小孔與毛細管相連通；所述坩堝的底部為平面；所述稀土單晶包括釔鋁石榴石單晶或摻雜釔鋁石榴石單晶。本發明設計的具有特殊結構的坩堝，靠近底端開孔的坩堝內壁和毛細孔采用錐形管連接設計，保障熔體流動性，實現了可彎曲單晶光纖的可控生長。本發明還提供了微下拉法中稀土單晶光纖生長速率的計算方法，建立微下拉生長模型，利用特殊結構的坩堝配套溫度場結構結合理論計算，實現了可彎曲單晶光纖的微下拉法生長，最終得到了高品質的柔性單晶光纖。

技術領域

本發明屬于稀土單晶材料技術領域，尤其涉及一種用于微下拉法生長可 彎曲柔性稀土單晶光纖的坩堝、微下拉法生長可彎曲柔性稀土單晶光纖的方 法以及微下拉法中可彎曲柔性稀土單晶光纖生長速率的計算方法。

背景技術

近年來，隨著光纖技術的日益更新和快速發展，對柔性光纖的研究及應 用已經成為纖維光學發展的重要發展方向之一。高分辨率柔性光纖傳像束因 其柔軟可彎曲性能好、單絲直徑細和分辨率高等優勢，已作為高清晰度成像 儀器中的核心光學器件被廣泛應用在在醫學、工業、科研和軍事和航空航天 領域中。以柔性紅外光纖傳像束作為傳輸元件，與紅外成像探測器連接，可 實現高質量紅外圖像傳遞，大大降低系統重量和減小系統體積，顯著降低紅 外系統成本，提高系統性能，可用于探測強電磁場所、危險環境、狹窄空間 或小孔內物體的熱分布，在國防、醫療和工業檢測等領域具有非常重要的應 用前景。

由于常用氧化物玻璃長波紅外多聲子吸收的緣故，其光纖傳像束無法應 用于波長大于2.5μm的紅外波段。近年來，通過內視鏡的微創激光醫療需要 相應的柔性光纖。目前在內視鏡中用于激光傳輸的多為石英光導纖維，因為 石英光纖可以安全地應用于人體。醫療內視鏡中用石英光纖傳輸波長為1.06 μm的Nd:YAG激光及波長為2.1μm的Ho:YAG激光已有報道。但波長為2μm 的中紅外激光已經達到石英光纖的傳輸極限。在照明領域，特種玻璃制造商 肖特最新的照明技術采用剛性和柔性玻璃光纖制成的導光管與新穎光源結 合。由于玻璃光纖具有良好的柔韌性，它們能被輕易地嵌入狹小的空間中， 實現功能性照明和環境照明融合成一套卓越的整體解決方案。

作為稀土材料的重要分支之一，稀土晶體指稀土元素可以完整占據結晶 學結構中某一格點的晶體，稀土激光晶體被廣泛地應用于光纖通訊、國防安 全、民生健康等國家重點領域。在諸多類型的晶體材料中，單晶光纖外型上 秉承了玻璃光纖的高長徑比和大比表面積，同時兼具晶體塊材的性能優勢。 作為激光增益介質時，介于傳統體塊單晶和玻璃光纖之間，結合了單晶增益 和光纖激光的核心理念，這類新型材料不僅具有單晶優良的光學、熱學性能， 而且具有玻璃光纖激光轉換效率高的優勢。相比于多聲子吸收的玻璃光纖，稀土摻雜單晶光纖的發光波段可達到～3.0μm的中紅外波段。

目前，國際上關于生長單晶光纖的方法主要有兩種：激光基座加熱法和 微下拉法。利用激光基座加熱法能夠生長直徑幾十微米的摻雜YAG單晶作為 纖芯，通過直接拉制或后處理的方式合成包層結構，最終得到帶包層的柔性 可彎曲單晶光纖。然而，由于該方法在生長界面處的溫度梯度過大使得晶體 質量難以保障。而利用微下拉法生長單晶光纖能夠很好地彌補激光基座法帶 來的晶體質量上的不足。但是，微下拉法生長的單晶光纖由于最小直徑在1 mm以上，從而使得到品質的單晶光纖是剛性的。

因此，亟待找到一種更為適宜的方式突破現有的生長技術的桎梏，能夠 得到高品質的柔性可彎曲的單晶光纖，已成為已成為了應用領域諸多前沿學 者廣為關注的焦點之一。

發明內容

有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種用于微下拉法生長可 彎曲柔性稀土單晶光纖的坩堝，本發明通過特殊設計的坩堝，配套溫度場結 構結合理論計算，實現了可彎曲單晶光纖的微下拉法生長。

本發明提供了一種用于微下拉法生長可彎曲柔性稀土單晶光纖的坩堝， 所述坩堝的底部通過錐形孔與毛細管相連通；