1、功能晶體材料具有光、電、熱、聲、磁等多種特殊的物理效應(yīng)，被廣泛應(yīng)用于微電子、通訊、醫(yī)療、軍事、科研教育、勘探等眾多領(lǐng)域。如今，激光、能源、信息、航天等高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)功能晶體又提出了新的和更高的要求，使它們成為當(dāng)前材料科學(xué)與工程發(fā)展的前沿領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)。 在各種晶體生長(zhǎng)方法中，提拉法因具有易觀察、生長(zhǎng)周期短、可控性好等優(yōu)點(diǎn)成為晶體制備的首選方法。而熔體中晶體的生長(zhǎng)是一個(gè)簡(jiǎn)單而又復(fù)雜的液--固相變過(guò)程，熔體在一定條件下于固/液界

2、面處定向凝固，使生長(zhǎng)單元有規(guī)則排列形成單晶。因此，固/液界面的狀態(tài)及形狀直接影響到晶體質(zhì)量的好壞。同時(shí)，晶體生長(zhǎng)過(guò)程是一個(gè)釋放潛熱的過(guò)程，生長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)的各單元因傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等存在熱量交換；熔體在浮力、壓力、磁場(chǎng)、晶體旋轉(zhuǎn)和坩堝旋轉(zhuǎn)等條件下也會(huì)產(chǎn)生不同類(lèi)型的對(duì)流，對(duì)流狀態(tài)會(huì)影響到熔體中的質(zhì)量傳輸和熱量傳輸。所有這些現(xiàn)象可最終歸結(jié)為晶體生長(zhǎng)的兩大基本問(wèn)題，傳質(zhì)和傳熱，它們決定著晶體生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程，是影響晶體質(zhì)量的根本原因。于是，人們通過(guò)實(shí)

3、物模擬和數(shù)值模擬的方法去了解這些熱量、動(dòng)量、質(zhì)量傳輸過(guò)程。但實(shí)物模擬因其眾多的不足無(wú)法使人們?nèi)コ浞终J(rèn)識(shí)這些過(guò)程。而數(shù)值模擬只要模型選取和條件設(shè)置合理，就可以對(duì)生長(zhǎng)系統(tǒng)中的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及濃度場(chǎng)等給出詳細(xì)的描述；對(duì)生長(zhǎng)界面形狀及其發(fā)展做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；對(duì)晶體中的缺陷形成和分布做出合理的解答，提供給人們更多的關(guān)于質(zhì)量傳輸和熱量傳輸?shù)男畔?，認(rèn)識(shí)各種生長(zhǎng)條件對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響，為尋求最佳的生長(zhǎng)工藝條件，提高晶體質(zhì)量和成品率提供了參考，同時(shí)也大大縮短了

4、試驗(yàn)周期，節(jié)約了成本。因此，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今研究和改進(jìn)晶體生長(zhǎng)方法的重要工具，并已在工業(yè)化單晶的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮了巨大作用。 本論文主要是通過(guò)CGSim軟件對(duì)提拉法晶體生長(zhǎng)中的質(zhì)量傳輸、熱量傳輸進(jìn)行了模擬研究，分析了各生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)晶體生長(zhǎng)過(guò)程和晶體質(zhì)量的影響。同時(shí)根據(jù)實(shí)用要求，生長(zhǎng)了電光Q開(kāi)關(guān)用光學(xué)級(jí)硅酸鎵鑭（LGS）晶體，摻雜稀土釹離子硅酸鎵鑭（Nd：LGS）晶體和摻雜釹離子鈣鎵石榴石（Nd：CNGG）晶體，結(jié)合軟件對(duì)晶體

5、生長(zhǎng)過(guò)程遇到的問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，針對(duì)性提出了相應(yīng)的解決方案，對(duì)所生長(zhǎng)晶體的質(zhì)量、熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和激光性能進(jìn)行了研究。主要包括以下幾方面 一、軟件模擬 介紹了CGSim軟件的基本模塊及其所使用的主控方程和邊界條件；針對(duì)LGS晶體和CNGG晶體開(kāi)展了數(shù)值模擬工作。模擬了各生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)生長(zhǎng)系統(tǒng)中傳質(zhì)和傳熱過(guò)程的影響，包括：晶體旋轉(zhuǎn)速度對(duì)晶體生長(zhǎng)界面的影響，提拉速度對(duì)加熱功率的影響，晶體直徑和坩堝尺寸對(duì)熔體中對(duì)流的影響，坩堝

6、旋轉(zhuǎn)在晶體生長(zhǎng)中的作用，Marangoni對(duì)流在熔體表面處的作用及熔體液面高度對(duì)熔體中對(duì)流行為和生長(zhǎng)界面的影響等。 二、晶體生長(zhǎng) 1．光學(xué)級(jí)硅酸鎵鑭（LGS）晶體，摻釹硅酸鎵鑭（Nd：LGS）晶體生長(zhǎng)以高純?cè)螸a2O3，Ga2O3，SiO2，Nd2O3通過(guò)固相反應(yīng)合成了晶體生長(zhǎng)用多晶料。采用提拉法并在改裝的晶體生長(zhǎng)自動(dòng)等徑程序控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，選取適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)分別生長(zhǎng)了光學(xué)級(jí)LGS電光晶體和摻釹濃度為1at％的Nd：

7、LGS激光晶體。討論了溫場(chǎng)、原料配比、固液界面、后熱器、生長(zhǎng)工藝參數(shù)等因素對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響及提高晶體質(zhì)量的途徑與方法。 在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上針對(duì)晶體生長(zhǎng)中出現(xiàn)的相關(guān)缺陷進(jìn)行了相應(yīng)分析并提出解決方案，主要包括： 生長(zhǎng)核心與生長(zhǎng)界面。凸界面生長(zhǎng)易產(chǎn)生小面而在晶體中心部位形成生長(zhǎng)核心，采用平界面生長(zhǎng)可以有效消除該核心。 散射顆粒。晶體在放肩部位及轉(zhuǎn)等徑生長(zhǎng)之前由于雜質(zhì)不能有效從晶體下方排出而在晶體中形成散射顆粒，影響了晶

8、體的光學(xué)均勻性，采取放肩時(shí)加大晶體轉(zhuǎn)速或坩堝旋轉(zhuǎn)等措施可以減少散射。 生長(zhǎng)條紋。晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的功率波動(dòng)等會(huì)在引起晶體生長(zhǎng)速率的變化，帶來(lái)生長(zhǎng)條紋，因此必須保持控溫裝置和機(jī)械裝置的穩(wěn)定工作。 肩部開(kāi)裂。平放肩晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，由于晶體肩部直接裸露于較低溫的生長(zhǎng)環(huán)境中而增加了晶體的熱散失，進(jìn)而造成晶體肩部存在較大的溫度梯度，易引起開(kāi)裂。加大后熱器高度可以有效降低晶體肩部處的溫度梯度，避免開(kāi)裂。 2．Nd：CNGG晶體

9、的生長(zhǎng) 以高純?cè)螩aCO3，Ga2O3，Nb2O5，Nd2O3通過(guò)固相反應(yīng)合成了晶體生長(zhǎng)用多晶料，結(jié)合對(duì)Nd：CNGG晶體的模擬結(jié)果，于坩堝內(nèi)半滿(mǎn)的熔體條件下，同樣采用提拉法生長(zhǎng)了無(wú)序結(jié)構(gòu)Nd：CNGG激光晶體。釹離子摻雜濃度為0．5at％。 三、LGS晶體質(zhì)量檢測(cè)及Nd：LGS和Nd：CNGG晶體性能測(cè)試 1．LGS晶體質(zhì)量檢測(cè) 電光Q開(kāi)關(guān)用LGS晶體必須具備高的光學(xué)質(zhì)量，主要通過(guò)靜態(tài)消光比測(cè)試了晶體

10、的光學(xué)均勻性。通過(guò)對(duì)晶體不同部位的X射線(xiàn)熒光試驗(yàn)分析了晶體組分的均勻性，利用XRD粉末試驗(yàn)計(jì)算了晶體晶格參數(shù)的變化情況，所有這些試驗(yàn)結(jié)果均顯示所長(zhǎng)LGS晶體具有較高的光學(xué)質(zhì)量和組分均勻性，可滿(mǎn)足于電光應(yīng)用。 2．Nd：LGS晶體性能測(cè)試 2．1分凝測(cè)試：利用X射線(xiàn)熒光對(duì)晶體中的Nd離子進(jìn)行了分凝測(cè)試，結(jié)果表明釹離子在晶體中的分凝系數(shù)約為0．87，因而，LGS晶體可進(jìn)行較高濃度的摻雜。 2．2熱學(xué)性質(zhì)是激光晶體需要

11、考慮的重要參數(shù)。系統(tǒng)測(cè)量了Nd：LGS晶體的比熱、熱膨脹、熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)性。差熱掃描量熱計(jì)（DSC）測(cè)得晶體室溫下的比熱為0．376 J/g·K，熱機(jī)械分析儀研究了晶體在30--500℃不同方向的熱膨脹性，計(jì)算了其線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)，分別為α11=6．05×10-6/K，α33=4．24×10-6/K。用激光脈沖法測(cè)定了晶體的熱擴(kuò)散系數(shù)為λ11=0．658mm2/s，λ33=0．813mm2/s，并根據(jù)密度及比熱計(jì)算了晶體的熱導(dǎo)率，室溫下晶

12、體的熱導(dǎo)率分別為k11=1．42 W/m·K和k33=1．75W/m·K，高于玻璃的熱導(dǎo)率，因此，Nd：LGS晶體可應(yīng)用于中等功率激光系統(tǒng)中。 2．3光譜測(cè)試： 激光晶體的光譜特性決定了該晶體應(yīng)用范圍和激光特性。我們測(cè)量了Nd：LGS晶體的吸收和發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)σ偏振方向的吸收遠(yuǎn)大于對(duì)π方向的吸收，在808 nm處有強(qiáng)的吸收峰，其偏振吸收系數(shù)分別為3．51×10-20 cm2（π偏振）和8．1×10-20cm2（σ偏

13、振），其半峰寬度為20 nm，約為摻Nd釩酸鹽和Nd：YAG晶體的10倍；其發(fā)射光譜表明：在1066 nm處，Nd：LGS晶體具有最強(qiáng)的發(fā)射峰，其光譜寬度從1020nm到1120 nm，與Nd摻雜玻璃相差不大，除此之外，還存在904nm和1343nm處的發(fā)射。 2．4激光性能 首次對(duì)Nd：LGs大功率LD泵浦的激光性能進(jìn)行了研究，獲得最大輸出功率為2．25W，光光轉(zhuǎn)化效率為28．7％的連續(xù)激光輸出，并對(duì)其激光光束進(jìn)行了表

14、征；首次以Cr：YAG為飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了該晶體的被動(dòng)調(diào)Q激光輸出，得到了最大平均輸出功率為0．54W、最大單脈沖能量為175μJ、最短脈沖寬度為23．4ns、最大峰值功率為5．02kW脈沖激光輸出。由于LGS晶體已經(jīng)被證明是一種優(yōu)秀的電光晶體，我們認(rèn)為Nd：LGS晶體應(yīng)該是一種兼具電光和激光的自調(diào)制激光晶體，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行中。 3．Nd：CNGG晶體性能測(cè)試 3．1晶體的熱學(xué)性質(zhì) 差熱掃描量熱計(jì)（DSC）測(cè)

15、得室溫下晶體的比熱為0．595 J/g·K，熱機(jī)械分析儀測(cè)量了晶體于30-500℃范圍內(nèi)的熱膨脹性，計(jì)算了其線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)為7．88×10-6/K，激光脈沖法測(cè)得室溫下晶體的熱擴(kuò)散系數(shù)為1．223 mm2/s，同樣根據(jù)密度和比熱計(jì)算了晶體的熱導(dǎo)率為3．43W/m·K。 3．2晶體的熱光系數(shù) 熱透鏡效應(yīng)是高功率激光下必須考慮的因素。以808nm的LD為泵浦源，采用平-平腔，測(cè)量了晶體沿<111>方向的熱透鏡焦距大小，通過(guò)對(duì)