光學行業(yè)FEMAG晶體生長數(shù)值模擬技術在光學行業(yè)的應用

1.晶體的光學應用

    隨著科技的發(fā)展，光感技術，激光技術得到越來越廣泛的應用。生活水平的提高也使得人們對傳統(tǒng)的晶體光學折變特性提出了更高的要求，例如偏振鏡，濾光鏡等等應用場合越來越多。此外光存儲光傳輸?shù)燃夹g也以驚人的速度在普及。因此光學儀器和材料成為了一個非常具有前景的發(fā)展領域。

    在光學領域中關鍵材料是光學晶體，按照用途可以分成光電晶體、聲光晶體、激光晶體、光折變晶體、非線性晶體等。光學晶體主要是指應用于光學回路中的晶體，如棱鏡，透鏡，濾鏡，偏光以及相位補償鏡等，在光學回路中的發(fā)射，處理和接收等多個環(huán)節(jié)都有廣泛應用。

2.光學晶體材料

    光學晶體的類型很多，從材料本質(zhì)上說通常是金屬鹵化物晶體，氧化物晶體等。例如常見的氟化鎂晶體用于透過紫外光，氟化鈣晶體對于紅外光有良好的透過率，此外還有半導體硅晶體，砷化鎵，CdTe，YAG，二氧化硅，藍寶石等。特別是藍寶石晶體化學性質(zhì)穩(wěn)定，機械強度高，抗沖擊能力強，大量用于精密測量儀器，高功率激光，導彈制導，通訊導航以及光傳感等，應用非常廣泛。

    為了保證較高的光透過率，減少色散等，用作光學介質(zhì)材料的晶體材料通常以單晶為主，要求盡可能少的缺陷，特別是在激光領域以及精密光感儀器和測量領域，較少的缺陷就會對光透過質(zhì)量和結(jié)果產(chǎn)生嚴重影響。

3.FEMAG解決方案

    工業(yè)上晶體的生長多采用熔體生長法，例如光學晶體中應用比較廣泛的藍寶石，砷化鎵，硅等晶體，可以通過提拉法，泡生法，坩堝下降法，區(qū)熔法等晶體生長工藝進行生產(chǎn)，工藝的條件控制和爐體熱場流場分析對保證晶體質(zhì)量有重要作用。

    FEMAG軟件是一款專業(yè)的晶體生長模擬軟件，對于典型的晶體生長工藝，例如提拉法、區(qū)熔法、定向凝固法以及坩堝下降法等，軟件都能提供世界領先的仿真精度，能夠優(yōu)化單晶硅，砷化鎵，YAG，藍寶石等光學晶體的生產(chǎn)質(zhì)量，并提高生產(chǎn)效率和成品率。

利用FEMAG可以實現(xiàn)：

（1）全局的熔體氣體對流與熱場分析

    利用FEMAG/CZ在不同氣體流量下（500，1500，3000，4500L/h）對直拉法單晶硅的全局對流模擬，其中（a）（b）是熱場圖（c）（d）是流場圖。利用FEMAG可以優(yōu)化晶體生長工藝，優(yōu)化熱場，提高晶體質(zhì)量，減小能耗。

圖3.1不同氣體流量下的熔體氣體對流

（2）晶體缺陷預測分析

    利用FEMAG可以分析晶體生長過程的含氧量分布以及空位和缺陷濃度預測，為晶體生長質(zhì)量優(yōu)化提供依據(jù)。

圖3.2 FEMAG/CZ缺陷分析（a）溫度場（b）Ci-Cv缺陷（c）Ci-Cv缺陷

（3）熔體特殊流場分析

    FEMAG軟件具有先進的流體分析算法，對定向凝固等工藝中復雜流體模式（例如Marangon效應）能夠獲得精確的分析結(jié)果。

圖3.3 FEMAG/DS分析Marangoni效應下的流場和溫度場

（4）磁場與流場耦合分析

    對于晶體生長工藝中常用的坩堝旋轉(zhuǎn)與外加磁場優(yōu)化，F(xiàn)EMAG也能夠提供復雜耦合場作用下晶體生長過程的精確模擬，為工藝優(yōu)化提供參考。

圖3.4（a）無旋轉(zhuǎn)無磁場     （b）無旋轉(zhuǎn)有磁場       （c）有旋轉(zhuǎn)有磁場

    除此以外，F(xiàn)EMAG軟件還支持晶體生長爐體優(yōu)化設計，摻雜物濃度預測分析，熱應力分析等功能。FEMAG能夠全面優(yōu)化晶體生長工藝，解決光學晶體生長的關鍵技術，為提高企業(yè)經(jīng)濟效益提供可靠的服務與支持。