目 前 常 見 的 晶 體 生 長 方 法 有 Bridgeman-Stockbarger 法 、 Czochralski 法 、 Verneuil 法 、 熔 區 法 和 高 溫 熔 液 法 等 ， 其 中 以 Czochralski 法和熔區法最常被使用。Czochralski 法如圖 2-4 所示，是 將原料放進坩堝裡，置於熔爐裡加熱，使原料成熔融態，然後將子晶 放入坩堝裡，與熔融液接觸後往上提拉，使原料逐漸冷卻凝固成晶 體。而成長的晶體的晶格排列方向，則可由子晶的晶格方向決定。但 Czochralski 法只適合生長大尺寸直徑的晶棒，而無法生長微米級直徑 的晶纖，同時也有生長速度慢、消耗能量大和坩堝污染等問題。
圖2-4 Czochralski 法示意圖
我們實驗室採用的長晶法為雷射加熱基座生長法(laser heated pedestal growth method，LHPG)，屬於熔區法的一種。LHPG 最早由 Burrus 和 Stone 所開發，用來生長紅寶石(ruby)晶體[6]。後來陸續被 應用在其他晶體的生長，例如：內科視鏡系統所用的藍寶石(sapphire) 晶體光纖、二次諧波產生(second-harmonic generation，SHG)用的倍頻 晶體[22]、光儲存用的鈮酸鍶鋇(strontium barium niobite，SBN)和高
溫超導體[23]-[25]。
LHPG 晶纖生長法，如圖 2-5(a)所示，是利用一高穩定度的雷射 光束，入射到生長腔體裡面，經外內錐狀面、平面和拋物面等反射鏡 反射，聚焦在原始晶棒上，使晶棒產生熔區後，再將子晶往下伸展與 熔區接觸，然後往上提拉冷凝成晶體光纖。而圖2-5(b)則為生長晶纖 時的熔區形狀。
拋物面反射鏡
子晶 新生長的晶纖
CO2雷射 CO2雷射光束 熔區
原始晶棒
平面 反射鏡
圓錐狀反射鏡 內圓錐
外圓錐
(a)
(b)
圖2-5 (a)LHPG 方法生長腔體示意圖 (b)晶體生長時之熔區形狀
HP VEE自動控制 反射鏡1
100W CO2雷射 功率計
分光器 生長腔體 反射鏡2 功率
衰減器 擴束鏡片
電腦
圖2-6 LHPG 長晶法系統架構
而圖2-6 為 LHPG 長晶法的系統架構，其主要分成以下三個部分：
1. 光源：
LHPG 方法使用的加熱源為 100 W 的連續式二氧化碳雷射。此 雷射除了可以提供熔區足夠的能量之外，同時亦可以在至少半小時內 維持±1％的熱穩定度。因此在生長晶纖時可以避免因為加熱源不穩 定，造成熔區改變而形成晶纖節點與直徑變化等問題。
2. 反射面鏡與生長腔體：
系統中的反射面鏡都有鍍金，使雷射光束能幾乎全部被反射，以 減少損失。生長腔體如圖2-6 所示，其腔體材料為無氧銅，而支撐固 定內圓錐反射鏡的部分，則是採用 ZnSe 的平面鏡，二氧化碳雷射的 波長對 ZnSe 的穿透率最高，因此可以減少雷射功率的損耗。而利用 這種支撐方法，也可以改善以往用十字形金屬支撐內圓錐反射鏡所造 成的光均勻性與對稱性不佳的情況。同時設計一拋物面反射鏡，將雷 射光束聚焦成均勻對稱且直徑約為25 µm 的光點，如此可以形成一溫 度更均勻、形狀更對稱的熔區，利用這樣的特性可以生長出直徑約幾 十微米的晶纖。
3. 機械與控制介面：
影響晶纖品質與直徑變化的因素，除了雷射功率變化之外，控制 子晶和原始晶棒的步進馬達其穩定度與精確度也很重要。我們的系統 選擇利用脈衝訊號控制馬達的速度，同時採用垂直生長的方式，以避 免因重力造成的熔區變形和晶纖彎曲的問題。而晶纖的校準，則是使 用一部顯微鏡和兩部準直儀控制晶纖的方向與位置，同時使用兩部電 荷耦合偵檢器(charge-coupled device，CCD)以互相垂直的方向，即時 觀察晶纖的外形、熔區形狀、大小和固液界面的變化。而二氧化碳雷 射、雷射功率衰減器和步進馬達，皆由電腦所控制，以提升晶纖生長 的便利性、精確性與穩定性。
以LHPG 方法生長晶體，可歸納出以下幾個優點：
1.速度快：
以聚焦的雷射光束當作加熱源，溫度梯度可達 103 ℃/cm，為 Czochralski 法 20~50 ℃/cm 的 20 倍以上，因此能以 1~10 mm/min 的 速度快速地生長晶體。而我們實驗室則受限於控制卡與軟體，最快生 長速度為3.75 mm/min。
2.適用於各種熔點與組成成分的晶體：
LHPG 方法可依不同晶體的熔點改變其輸出功率，將晶體熔融，
其焦點溫度可達2700 ℃以上。而生長的晶纖其晶格排列方向與子晶 的晶格方向一致。因此可在不改變長晶系統架構之下，只改變子晶晶 格方向的選擇，就可以生長出不同晶格方向的晶纖。此外，也可以將 材料粉末依比例混合，壓成硬塊做成原始晶棒，以供生長晶纖之用。
3.可生長直徑幾十微米的晶體光纖：
LHPG 方法可以利用調整雷射光束的輸出功率，控制熔區的體 積，同時調整子晶與原始晶棒的步進馬達速度比，即可生長出不同縮 徑比的晶纖。而生長出來的晶纖的直徑與熔區高度相近，而根據質量 守恆，可以得到以下的式子(2-2)
ρ
s× ( ) π r
s2× v
s= ρ
f× ( ) π r
f2× v
f (2-2)其中，
ρ
s：提拉子晶的體晶密度ρ
f：原始晶棒的體晶密度 rs：提拉子晶的晶纖直徑 rf：原始晶棒的晶纖直徑 vs：提拉子晶的步進馬達速度 vf：原始晶棒的步進馬達速度利用式(2-2)可以精確的估算生長出來的晶體光纖直徑。而我們實驗室 目前則可以生長出直徑23 µm ~1.1 mm 的晶纖。
4. 無污染問題：
長晶的熔區為雷射加熱原始晶棒之一端所形成，生長過程不會與 任何容器接觸，所以可以生長出無污染且高品質的晶纖。
5. 低成本、高效率：
LHPG 長晶法所需的材料很少，同時所需的能量很小，生長速度 也很快。例如用4 W 的二氧化碳雷射輸出功率即可熔融直徑 500 µm 的YAG 晶纖；生長長度為 15 cm 的晶纖，最快僅需 40 分鐘即可完成；
而且可用電腦做生長晶纖的自動控制，既精確又穩定。