微米晶气相生长装置

本实用新型实施例涉及晶体材料生长技术领域，提供了一种微米晶气相生长装置。微米晶气相生长装置包括：反应腔，反应腔内设置有原料棒；光束整形元器件，每个光束整形元器件上安装有激光输出头，多个光束整形元器件围绕反应腔设置并朝向原料棒定位；其中，原料棒的顶端位于经由多个光束整形元器件调整后汇聚形成的激光聚焦光斑处。本实用新型实施例提供的微米晶气相生长装置，通过设置光束整形元器件实现了光强分布的精确调控，同时将分散的光束调整成准直光束，通过多个光束整形元器件的光束聚焦，实现了聚焦光斑形状；通过设置激光输出头，将热源改为激光，增大了热源的加热功率，可实现高分解温度微米晶的生长，显著地提高了微米晶的生长速度。

技术领域
本实用新型涉及晶体材料生长技术领域，尤其涉及一种微米晶气相生长装置。
背景技术
微米晶由于具有较高的比表面积、特殊的形貌，成为了光电子器件材料的研究热点，其形貌包括微米柱、微米盘、晶须等。根据不同的形貌、尺寸和自身属性，微米晶在微纳光学器件、光催化，结构材料填料、表面改性等领域有广泛的应用。例如：柱状的ZnO微米晶可作为光学增益微腔，实现低阈值紫外激光激射。目前微米晶体的制备方法主要有气相传输法、溶胶-凝胶法、微波加热法、光学气相过饱和析出法等。其中，光学气相过饱和析出法是一种由气相输运法演变而来的晶体生长技术，主要用于微米晶的生长，具有生长周期短、稳定性高、产量高等优势。光学气相过饱和析出法的技术原理是：原料棒在聚焦光斑下加热至分解温度并气化；高温蒸气以准热平衡状态迅速在反应腔内扩散；随着卤素灯的继续加热，蒸气压逐渐达到过饱和状态；由于蒸气溶解度过饱和，导致气态原子/分子析出，在成核区沉积并生长，形成微米晶。传统设备中采用四个空间均匀分布的卤素灯光源作为加热源，由于光学浮区炉的椭球面反射镜汇聚光线的效果有限，加热区面积较大，温区形状无法调整，加上卤素灯光源的加热功率较低，致使原料反应较为缓慢，微米晶的生长速率较低。实用新型内容为了解决现有技术中存在的微米晶生长速率较低的问题，本实用新型实施例提供了一种微米晶气相生长装置。根据本实用新型的一个实施例，微米晶气相生长装置包括：反应腔，所述反应腔内设置有原料棒；光束整形元器件，每个所述光束整形元器件上安装有激光输出头，多个所述光束整形元器件围绕所述反应腔设置并朝向所述原料棒定位；其中，所述原料棒的顶端位于经由多个所述光束整形元器件调整后汇聚形成的激光聚焦光斑处。根据本实用新型的一个实施例，还包括可调基座，所述光束整形元器件安装在所述可调基座上。根据本实用新型的一个实施例，还包括夹持器，所述夹持器的第一端夹持所述原料棒并且所述夹持器设置成能够在所述反应腔内升降和旋转运动。根据本实用新型的一个实施例，还包括气氛调节器，所述气氛调节器与所述反应腔底部的进气口连接。根据本实用新型的一个实施例，还包括顶部升降平台、与所述顶部升降平台连接的顶部升降电机和顶部旋转电机、底部升降平台、以及与所述底部升降平台连接的底部升降电机和底部旋转电机。根据本实用新型的一个实施例，所述夹持器的第二端穿过所述底部升降平台连接在所述底部旋转电机上，以经由所述底部旋转电机驱动旋转并经由所述底部升降电机带动升降。根据本实用新型的一个实施例，所述夹持器的第二端穿过所述顶部升降平台连接在所述顶部旋转电机上，以经由所述顶部旋转电机驱动旋转并经由所述顶部升降电机带动升降。根据本实用新型的一个实施例，所述夹持器包括第一夹持器和第二夹持器，所述第一夹持器的第一端和所述第二夹持器的第一端分别夹持有所述原料棒，其中，所述第一夹持器的第二端穿过所述底部升降平台连接在所述底部旋转电机上，以经由所述底部旋转电机驱动旋转并经由所述底部升降电机带动升降；所述第二夹持器的第二端穿过所述顶部升降平台连接在所述顶部旋转电机上，以经由所述顶部旋转电机驱动旋转并经由所述顶部升降电机带动升降。根据本实用新型的一个实施例，还包括散射光吸收器，所述散射光吸收器设置在每相邻两个所述光束整形元器件之间。根据本实用新型的一个实施例，还包括反应平台，所述可调基座和所述散射光吸收器设置在所述反应平台上，所述反应腔设置在所述反应平台的中间位置。本实用新型实施例提供的微米晶气相生长装置，通过设置光束整形元器件实现了光强分布的精确调控，同时将分散的光束调整成准直光束，通过多个光束整形元器件的光束聚焦，实现了聚焦光斑形状；通过设置激光输出头，将热源改为激光，增大了热源的加热功率，可实现高分解温度微米晶的生长，显著地提高了微米晶的生长速度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本实用新型一个实施例提供的微米晶气相生长装置的结构示意图；图2为图1示出的反应平台的示意图；图3为图1示出的光束整形元器件光路的示意图；图4为本实用新型又一实施例提供的微米晶气相生长装置的结构示意图；图5为本实用新型再一实施例提供的微米晶气相生长装置的结构示意图。附图标记说明：1-顶部升降电机；2-顶部旋转电机；3-顶部升降平台；4-原料棒；5-光束整形元器件；6-激光输出头；7-可调基座；8-反应腔；9-散射光吸收器；10-反应平台；11-夹持器；12-密封圈；13-气氛调节器；14-底部升降平台；15-底部旋转电机；16-底部升降电机。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。现参照图1、图2、图3、图4和图5，对本实用新型提供的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本实用新型的示意性实施方式，并不对本实用新型构成任何特别限定。图1为本实用新型一个实施例提供的微米晶气相生长装置的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施例提供的微米晶气相生长装置，包括：反应腔8，反应腔8内设置有原料棒4；光束整形元器件5，每个光束整形元器件5上安装有激光输出头6，多个光束整形元器件5围绕反应腔8设置并朝向原料棒4定位；其中，原料棒4的顶端位于经由多个光束整形元器件5调整后汇聚形成的激光聚焦光斑处。具体地，本实用新型实施例提供的微米晶气相生长装置包括反应腔8，原料棒4位于反应腔8内，多个光束整形元器件5围绕反应腔8设置，并且光束整形元器件5的光束出口方向均朝向原料棒4，每个光束整形元器件5上均安装有激光输出头6。在本实用新型的一个实施例中，加热光源为激光，激光由光纤传递至激光输出头6进入光束整形元器件5中，将发散的激光聚集成准直光束，准直射向原料棒4。在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，光束整形元器件5为5个，均匀分布在反应腔8的周围。经过光束整形元器件5调整后的光束汇聚在一起形成直径为Φ3-Φ5mm的聚焦光斑，聚焦光斑覆盖在原料棒4的锥形顶端，以聚焦加热的形式对原料棒4进行加热，随着温度的升高，原料棒4分解为蒸气，由于激光持续加热，蒸气压逐渐达到饱和，蒸气与反应腔8内的气氛反应，产物沉积并逐步生长，形成微米晶。进一步地，在本实用新型的一个实施例中，反应腔8为石英玻璃管，能够透过工作波长在700nm-900nm范围内的半导体激光和工作波长在1060nm-1080nm范围的光纤激光。反应腔8的底部和顶部均采用密封圈12结构，可选地，为橡胶O型圈密封结构。反应腔8的底部和顶部留有进气口、出气口、进气阀和出气阀，用于调节反应腔8内的气氛与压强，进气口和出气口与反应腔8的连接处可增设滤网，滤网形状为圆形，用于防止粉末进入气路。同时，反应腔8垂直固定在反应平台10的中间位置，可选地，为可拆卸安装。原料棒4为原材料粉末经高温固相烧结而成的圆柱棒，可选地，直径为Φ0.8-Φ1cm，高度4-5cm。光束整形元器件5设有至少一组光学镜片，镜片封装于光束整形元器件5内，镜片组设有位置调节结构，该调节结构与光束整形元器件5外部的调焦旋钮相连，调节调焦旋钮可以调节镜片之间的位置，使内部透镜组的相对位置改变，进而调整功率密度。镜片组中可设置减光镜，调整激光光强。光学镜片排列有若干个微结构，该微结构可设置为光学透镜或滤光片。激光经过光束整形元器件5后可准直射向原料棒4。在本实用新型的一个实施例中，激光输出头6与光束整形元器件5的连接方式为可拆卸连接，可选地，为可拔插连接。本实用新型实施例提供的微米晶气相生长装置，通过设置光束整形元器件实现了光强分布的精确调控，同时将分散的光束调整成准直光束，通过多个光束整形元器件的光束聚焦，实现了聚焦光斑形状；通过设置激光输出头，将热源改为激光，增大了热源的加热功率，可实现高分解温度微米晶的生长，显著地提高了微米晶的生长速度。如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，微米晶气相生长装置还包括可调基座7，光束整形元器件5安装在可调基座7上；反应平台10，可调基座7设置在反应平台10上，可选地，为可拆卸安装。具体地，可调基座7以原料棒4所在中轴为中心，均匀分布在反应平台10上，可调基座7由手动旋转滑台和手动摆动滑台螺钉固定连接构成，通过手动调节基座旋转部分的分厘卡，可使光束整形元器件5绕基座轴心旋转，通过手动调节基座摆动部分的分厘卡，可使光束整形元器件5沿空间轴俯仰、偏摆。通过调节可调基座7，可使通过光束整形元器件5的光束均指向微米晶气相生长装置的中轴。图2为图1示出的反应平台的示意图。如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，聚焦光束的夹角为72°，此时5个可调基座7均处于初始状态，水平旋转角度为0°。由于每个可调基座7上安装有光束整形元器件5，光束整形元器件5上安装有激光输出头6，因此，在本实施例中，激光光源包括5组光纤激光器，激光器的输出功率由控制模块控制。激光经光纤传递至激光输出头6，进而进入光束整形元器件5中进行调整。图3为图1示出的光束整形元器件光路的示意图。如图3所示，经过光束整形元器件5后发散的光束聚集成准直光束。需要说明的是：在本实用新型的一个实施例中，可调基座7为5个，可调基座7的数量可为任意个，可根据具体工况、所采用的激光强度以及所采用的光束整形元器件5中镜片组的数量等决定。如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，微米晶气相生长装置还包括：散射光吸收器9，散射光吸收器9设置在每相邻两个光束整形元器件5之间，并且散射光吸收器9设置在反应平台10上，可选地，为可拆卸安装。具体地，如图2所示，散射光吸收器9设置在每相邻两个光束整形元器件5之间，且位于反应平台10上。在本实用新型的一个实施例中，光束整形元器件5的个数为5个，因此，散射光吸收器9的个数也为5个。进一步地，散射光吸收器9由顶部黑体吸收材料和底部基座构成，顶部黑体吸收材料与原料棒4的顶端、激光光束同轴，能够吸收反应剩余的激光，其吸收散射光产生的热量由黑体吸收材料背部连接的冷却装置进行冷却。如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，微米晶气相生长装置还包括：气氛调节器13，气氛调节器13与反应腔8底部的进气口连接。具体地，气氛调节器13连接反应腔8底部的进气口，外连多路气体源，附有混气系统可实现至少两路的气体混合；同时，附有流量控制器，可精确控制进入反应腔8的气体流量。能够实现反应腔8内反应气氛的混气、气体流量的调节，可实现对微米晶反应条件的精准控制。如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，微米晶气相生长装置还包括：夹持器11，夹持器11的第一端夹持原料棒4并且夹持器11设置成能够在反应腔8内升降和旋转运动。具体地，夹持器11的第一端夹持原料棒4，夹持器11的第一端设有Φ1-Φ1.2cm的凹槽，原料棒4放于凹槽内，可用铂金属丝捆绑固定。参照图1，在本实用新型的一个实施例中，微米晶气相生长装置还包括：顶部升降平台3、与顶部升降平台3连接的顶部升降电机1和顶部旋转电机2、底部升降平台14、以及与底部升降平台14连接的底部升降电机16和底部旋转电机15。夹持器11的第二端穿过底部升降平台14连接在底部旋转电机15上，以经由底部旋转电机15驱动旋转并经由底部升降电机16带动升降。具体地，顶部升降电机1和底部升降电机16分别固定在装置顶部和底部的框架上，由控制器精准控制，通过齿轮传动，使顶部升降平台3和底部升降平台14沿丝杆上下移动。夹持器11的第二端穿过反应腔8的底部以及底部升降平台14，并与底部升降平台14固定。通过底部升降电机16驱动带动底部升降平台14升降，进而带动夹持器11在反应腔8内上下移动。通过调整底部升降平台14升降可使原料棒4靠近或远离加热区，可控制原料棒4的分解速度。夹持器11的第二端与底部旋转电机15连接，进一步地，可选地，为可调松紧方式连接。底部旋转电机15由控制器精准控制，通过皮带传动，底部旋转电机15旋转驱动夹持器11在反应腔8内旋转。通过调整底部升降平台14和夹持器11的运动速率，可实现微米晶生长速率的精准控制。以下详细说明本实用新型实施例的使用流程：原料棒4安装在夹持器11的第一端，原料棒4放置在反应腔8内，夹持器11的第二端穿过反应腔8的底部，反应腔8的顶部和底部用密封圈12密封。夹持器11的第二端穿过底部升降平台14，并与底部升降平台14固定，然后与底部旋转电机15连接。通过气氛调节器13调节反应腔8内的气氛。打开激光器，通过调整可调基座7的仰俯、水平角度，使经光束整形元器件5射出的指示光指向装置的中轴。通过底部升降电机16驱动带动底部升降平台14移动，进而带动夹持器11在反应腔8内移动，使原料棒4的顶端移动至指示光汇聚处所形成的聚焦光斑处。同时调节光束整形元器件5的调焦旋钮，使聚焦光斑均匀覆盖原料棒4的顶端。打开底部旋转电机15，使原料棒4匀速旋转。开启激光光源，激光通过光束整形元器件5，准直射向原料棒4。在激光的聚焦加热下，原料棒4分解为蒸气，由于激光持续加热，蒸气压逐渐达到饱和，蒸气与反应腔8内的气氛反应，产物沉积并逐步生长，形成微米晶。图4为本实用新型又一实施例提供的微米晶气相生长装置。如图4所示，夹持器11的第二端穿过顶部升降平台3连接在顶部旋转电机2上，以经由顶部旋转电机2驱动旋转并经由顶部升降电机1带动升降。具体地，夹持器11的第二端穿过反应腔8的顶部以及顶部升降平台3，并与顶部升降平台3固定，通过顶部升降电机1驱动带动顶部升降平台3升降，进而带动夹持器11在反应腔8内上下移动。通过调整顶部升降平台3升降可使原料棒4靠近或远离加热区，可控制原料棒4的分解速度。夹持器11的第二端与顶部旋转电机2连接，进一步地，可选地，为可调松紧方式连接。顶部旋转电机2由控制器精准控制，通过皮带传动，顶部旋转电机2旋转驱动夹持器11在反应腔8内旋转。通过调整顶部升降平台3和夹持器11的运动速率，可实现微米晶生长速率的精准控制。在图4所示的实施例中，原料棒4可安装在夹持器11的第一端的凹槽中，也可使用金属丝将原料棒4悬挂在夹持器11的第一端。在本实施例中，其工作流程与图1所示实施例相同，故不再赘述。图5为本实用新型再一实施例提供的微米晶气相生长装置。如图5所示，夹持器11包括第一夹持器和第二夹持器，第一夹持器的第一端和第二夹持器的第一端分别夹持有原料棒4，其中，第一夹持器的第二端穿过底部升降平台14连接在底部旋转电机15上，以经由底部旋转电机15驱动旋转并经由底部升降电机16带动升降；第二夹持器的第二端穿过顶部升降平台3连接在顶部旋转电机2上，以经由顶部旋转电机2驱动旋转并经由顶部升降电机1带动升降。具体地，在本实用新型的一个实施例中，夹持器11为两个，两个夹持器11的第一端均夹持有原料棒4，第一夹持器的第二端穿过反应腔8的底部以及底部升降平台14，并与底部升降平台14固定，通过底部升降电机16驱动带动底部升降平台14升降，进而带动第一夹持器在反应腔8内上下移动。通过调整底部升降平台14升降可使原料棒4靠近或远离加热区，可控制原料棒4的分解速度。第一夹持器的第二端与底部旋转电机15连接，进一步地，可选地，为可调松紧方式连接。底部旋转电机15由控制器精准控制，通过皮带传动，底部旋转电机15旋转驱动第一夹持器在反应腔8内旋转。第二夹持器的第二端穿过反应腔8的顶部以及顶部升降平台3，并与顶部升降平台3固定，通过顶部升降电机1驱动带动顶部升降平台3升降，进而带动第二夹持器在反应腔8内上下移动。通过调整顶部升降平台3升降可使原料棒4靠近或远离加热区，可控制原料棒4的分解速度。第二夹持器的第二端与顶部旋转电机2连接，进一步地，可选地，为可调松紧方式连接。顶部旋转电机2由控制器精准控制，通过皮带传动，顶部旋转电机2旋转驱动第二夹持器在反应腔8内旋转。通过调整底部升降平台14、顶部升降平台3和夹持器11的运动速率，可实现微米晶生长速率的精准控制。在图5所示的实施例中，激光光源通过光束整形元器件5准直射入反应腔8，聚焦在两个原料棒4的顶端。在激光加热作用下，两根原料棒4融化并连接形成熔区。通过调节顶部升降电机1、底部升降电机16、顶部旋转电机2和底部旋转电机15，控制两根原料棒4相对旋转，缓慢提拉第二夹持器夹持的原料棒4，使熔区组分反应分解并实现过饱和析出，形成微米晶。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。