大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置及用其制备大尺寸红外光学用锗窗口材料的方法

摘要

本发明公开了一种大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置及用其制备大尺寸红外光学用锗窗口材料的方法，包括加热系统、隔热保温系统、转动升降装置和模具装置，所述加热系统设置在隔热保温系统内，模具装置则设置在加热系统内，模具装置的底部与转动升降装置相连，所述转动升降装置的下部从加热系统和隔热保温系统底部的中心穿过，制备时主要包括了分阶段加热步骤。解决现有大尺寸锗单晶直拉生长技术存在技术难度大、工艺过程和工艺条件难以控制，锗单晶成晶率低，后续成型加工困难，运行周期长、原料用量大、生产成本高的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及红外光学材料的生产加工及其应用技术领域，特别是一种大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置及用其制备大尺寸红外光学用锗窗口材料的方法。

背景技术

锗单晶材料具有良好的透红外性能、较高的折射指数、低色散、不潮解、机械强度高和化学稳定性好等优点，广泛应用于红外探测和热成像系统，是目前最理想的红外光学材料之一，是热成像仪光学系统(8-12μm波段)的首选红外材料，用于加工红外光学透镜、红外光学窗口等红外光学元件。应用于星载、舰载、机载的红外相机或热成像仪的国家自主可控需求日益增长，这些装备需要大尺寸锗光学材料，用于制作其光学系统的红外光学透镜、红外光学窗口等光学元件。

应用于红外光学和电子、太阳能方面的锗材料，通常需要生长为锗单晶，目前，最常用的锗单晶生长方法主要有CZ（直拉）法和VGF（垂直梯度凝固）法两种。直拉法生长Φ300mm以下口径尺寸红外锗单晶直拉生长技术已经相对成熟，但Φ300mm以上口径锗单晶直拉生长，依然是锗单晶直拉生长的工艺瓶颈和技术短板，限制和制约着大尺寸红外光学元件的发展和应用。同时大尺寸锗单晶直拉生长技术存在技术难度大、工艺过程和工艺条件难以控制，锗单晶成晶率低，后续成型加工困难，运行周期长、原料用量大、生产成本高的实际问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置及用其制备大尺寸红外光学用锗窗口材料的方法，解决现有大尺寸锗单晶直拉生长技术存在技术难度大、工艺过程和工艺条件难以控制，锗单晶成晶率低，后续成型加工困难，运行周期长、原料用量大、生产成本高的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置，包括加热系统、隔热保温系统、转动升降装置和模具装置，所述加热系统设置在隔热保温系统内，模具装置则设置在加热系统内，模具装置的底部与转动升降装置相连，所述转动升降装置的下部从加热系统和隔热保温系统底部的中心穿过。

作为本发明的进一步优选，所述加热系统包括上加热器、下加热器和底加热器，所述上加热器设置在隔热保温系统内壁的上部，下加热器设置在隔热保温系统内壁的下部，所述底加热器则设置在隔热保温系统内腔的底部。

作为本发明的进一步优选，所述的隔热保温系统为圆筒形结构。

作为本发明的进一步优选，所述的转动升降装置包括从下到上依次设置的转动轴和托盘，所述托盘的顶部与模具装置的底部相接，所述模具装置的内底面为平整的光滑面。

作为本发明的进一步优选，所述加热系统、隔热保温系统、转动升降装置和模具装置均为由高纯热压石墨或复合碳-碳复合材料加工制成。

作为本发明的进一步优选，所述加热系统、隔热保温系统、转动升降装置和模具装置均设置于真空炉中。

一种使用上述任意一种装置制备大尺寸红外光学用锗窗口材料的方法，包括如下步骤：

S1、首先将模具装置升至加热系统的上层加热区域，然后将高纯锗锭装入模具装置中，装料量由所制备的锗晶体材料的形状、厚度或尺寸大小决定；

S2、再按一定质量比加入掺杂剂；

S3、抽真空、充保护气体，开启加热系统中的上加热器，将高纯锗锭加热熔化，待高纯锗锭融化后降温至一定温度，恒温，搅动摇匀；

S4、再启动加热系统中的下加热器和底加热器，升温至一定温度后恒温，加热系统中的下加热器和底加热器与上加热器具有温度差；

S5、利用转动升降装置将模具装置按5-40mm/h的速度匀速向下带至加热系统的下层加热区域；

S6、保持下层加热区域恒温5-20h；

S7、按3-15 ℃/h这样的降温速率将加热系统降温至室温，温度降至室温后取出得到的锗晶体。

上述按一定比例加入掺杂剂是根据需要的电阻率来确定的，比例范围为1kg区熔锗锭原料配0.5-4毫克。

步骤s5中恒温的温度为900-950摄氏度。

作为本发明的进一步优选，所述S2中所述的掺杂剂为高纯

作为本发明的进一步优选，所述S3中所述的保护气体为高纯氮气或氩气。

作为本发明的进一步优选，所述S4中的温度差为5-30℃。

与现有技术相比，本发明至少能达到以下有益效果中的一项：

1、大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置结构简单、操作简便，易于控制。

2、使用本制备方法，制备大尺寸红外光学用锗窗口材料，高效、快捷，节约原材料，生产成本低，同时制备出来的大尺寸红外光学用锗窗口材料具有良好的光学透过率和光学加工性能，可满足大尺寸红外光学用锗光学元件的加工和应用需求。

3、同时使用本制备方法还可减少区熔锗锭原料消耗和浪费，提高锗原料利用效率，降低常规锗单晶生长长周期运行的水电气动力消耗，降低生产成本，对资源节约和有效利用，高效生产和高质量发展，均具有显著的有益效果。

附图说明

图1 为本发明大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置的结构示意图。

图2为本发明模具装置的俯视图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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发明中的具体含义。

具体实施例1：

图1、图2示出了一种大尺寸红外光学用锗窗口材料的制备装置，包括加热系统1、隔热保温系统2、转动及升降装置3和模具装置4，所述加热系统1设置在隔热保温系统2内，模具装置4则设置在加热系统1内，模具装置4的底部与转动升降装置3相连，所述转动升降装置3的下部从加热系统1和隔热保温系统2底部的中心穿过。

具体实施例2：

本实施例是在具体实施例1的基础上对加热系统1进行了进一步的说明，所述加热系统1包括上加热器11、下加热器12和底加热器13，所述上加热器11设置在隔热保温系统2内壁的上部，下加热器12设置在隔热保温系统2内壁的下部，所述底加热器13则设置在隔热保温系统2内腔的底部。

具体实施例3：

本实施例是在具体实施例1的基础上对隔热保温系统2进行了进一步的说明，所述的隔热保温系统2为圆筒形结构。

具体实施例4：

本实施例是在具体实施例1的基础上对转动升降装置3进行了进一步的说明，所述的转动升降装置3包括从下到上依次设置的转动轴31和托盘32，所述托盘32的顶部与模具装置4的底部相接，所述模具装置4的内底面为平整的光滑面。

具体实施例5：

本实施例是在具体实施例1的基础上对加热系统1、隔热保温系统2、转动升降装置3和模具装置4的制作材料进行了进一步的说明，所述加热系统1、隔热保温系统2、转动升降装置3和模具装置4均为由高纯热压石墨或复合碳-碳复合材料加工制成。

具体实施例6：

本实施例是在具体实施例1的基础上对加热系统1、隔热保温系统2、转动升降装置3和模具装置4的设置位置进行了进一步的说明，所述加热系统1、隔热保温系统2、转动升降装置3和模具装置4均设置于真空炉中。

具体实施例7：

一种使用具体实施例1-6中任意一种装置制备大尺寸红外光学用锗窗口材料的方法，包括如下步骤：

S1、首先将模具装置4升至加热系统1的上层加热区域，然后将高纯锗锭装入模具装置4中，装料量由所制备的锗晶体材料的形状、厚度或尺寸大小决定；

S2、再按一定质量比加入掺杂剂；

S3、抽真空、充保护气体，开启加热系统1中的上加热器11，将高纯锗锭加热熔化，待高纯锗锭融化后降温至一定温度，恒温，搅动摇匀；

S4、再启动加热系统中的下加热器和底加热器，升温至一定温度后恒温，加热系统1中的下加热器12和底加热器13与上加热器11具有温度差；

S5、利用转动升降装置将模具装置按5-40mm/h的速度匀速向下带至加热系统1的下层加热区域；

S6、保持下层加热区域恒温5-20h；

S7、按3-15 ℃/h这样的降温速率将加热系统降温至室温，温度降至室温后取出得到的锗晶体。

具体实施例8：

本实施例是在具体实施例7的基础上对制备大尺寸红外光学用锗窗口材料的方法进行了进一步的说明，称取经表面清洁处理后的锗多晶原料22kg，将多晶锗原料装入由高纯石墨制成的圆形模具装置中，按一定质量比加入高纯Sb掺杂剂，抽真空后充以高纯氩气作为保护气体，开启上加热器升温，加热至多晶锗完全熔化，降至特定温度恒温摇匀。

启动下加热器和底加热器，升温至预定温度，上加热器和下加热器之间的温差为15 ℃，达预定温度后恒温2小时，将盛放多晶锗原料的圆形模具装置按15mm/h的设定速度下降进入下层加热区域，至圆形模具装置的上边缘与下加热器的上边缘齐平，在此过程中，确保下加热器和底加热器的温度接近；恒温12小时，关闭上加热器电源；按6℃/h的设定降温速率将下加热器和底加热器降温至温度低于150℃，关闭电源开关和保护气体氩气，冷却至室温后取出锗晶体。

获得锗晶体的重量为21.8kg，电阻率范围为（10-15）Ω•cm，导电类型为N型。经过研磨、抛光等光学加工，得到直径为500mm，厚度为20mm的圆形锗红外窗口平面光学元件，该锗晶体材料在3.0μm～12.0μm波段范围内的平均透过率为45.6%。

具体实施例9：

本实施例是在具体实施例7的基础上对制备大尺寸红外光学用锗窗口材料的方法进行了进一步的说明，称取经表面清洁处理后的锗多晶原料8.6 kg，将多晶锗原料装入由高纯石墨制成的长450mm，宽224mm的长方形模具装置中，按一定质量比加入高纯Sb掺杂剂，抽真空后充高纯氩气作为保护气体，开启上加热器升温，加热至多晶锗完全熔化，然后降至特定温度恒温摇匀。

启动下加热器和底加热器，升温至预定温度，上加热器和下加热器之间的温差为10 ℃，达预定温度后恒温1小时，将盛放多晶锗原料的模具装置按20mm/h的设定速度下降进入下层加热区域，至模具装置的上边缘与下加热器的上边缘齐平，在此过程中，确保下加热器和底加热器的温度接近；恒温10小时，关闭上加热器电源；按10℃/h的设定降温速率将下加热器和底加热器降温至温度低于150℃，关闭电源开关和保护气体氩气，冷却至室温后取出锗晶体。

获得锗晶体的重量为7.7 kg，电阻率范围为（12-19）Ω•cm，导电类型为N型。经过研磨、抛光等光学加工，得到长为440mm，宽为220mm，厚度为15mm的长方形锗红外窗口，可用制作红外光学元件，该锗晶体材料在3.0μm～12.0μm波段范围内的平均透过率为45.5%。

具体实施例10：

本实施例是在具体实施例7的基础上对制备大尺寸红外光学用锗窗口材料的方法进行了进一步的说明，称取经表面清洁处理后的锗多晶原料14.6 kg，将多晶锗原料装入由高纯石墨制成的正方形模具装置中，按一定质量比加入高纯Sb掺杂剂，抽真空后充高纯氩气作为保护气体，开启上加热器升温，加热至多晶锗完全熔化，然后降至特定温度恒温摇匀。

启动下加热器和底加热器，升温至预定温度，上加热器和下加热器之间的温差为20 ℃，达预定温度后恒温1.5小时，将盛放多晶锗原料的模具装置按30 mm/h的设定速度下降进入下层加热区域，至模具装置的上边缘与下加热器的上边缘齐平，在此过程中，确保下加热器和底加热器的温度接近；恒温7小时，关闭上加热器电源；按8 ℃/h的设定降温速率将下加热器和底加热器降温至温度低于150℃，关闭电源开关和保护气体氩气，冷却至室温后取出锗晶体。

获得锗晶体的重量为13 kg，电阻率范围为（8-15）Ω•cm，导电类型为N型。经过研磨、抛光等光学加工，得到边长为350的正方形锗红外窗口光学元件，其在3.0μm～12.0μm波段范围内的平均透过率为45.4%。

具体实施例11：

本实施例是在具体实施例7的基础上对S2进行了进一步的说明，所述S2中所述的掺杂剂为高纯

具体实施例12：

本实施例是在具体实施例7的基础上对S3进行了进一步的说明，所述S3中所述的保护气体为高纯氮气或氩气。

具体实施例13：

本实施例是在具体实施例7的基础上对S4进行了进一步的说明，所述S4中的温度差为5-30℃。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。