蓝宝石单晶是一种性能优越,应用广泛的光学晶体材料。国防工业、红外技术和LED市场的迅猛发展,对蓝宝石单晶材料提出了更高的要求,即大尺寸、高质量、性能稳定。然而,目前用来生长大尺寸蓝宝石单晶的泡生法,是一项耗时、耗能、高成本的长晶方法。利用计算机数值模拟可以获得生长过程中的一些重要信息,再通过有限次的实验来验证蓝宝石晶体生长所需的生长条件,即可达到减少实验次数、降低成本、节省时间和提高晶体生长质量的目的。　　 论文以泡生法生长蓝宝石单晶为研究对象,通过对单晶炉进行二维轴对称结构简化,建立了泡生法蓝宝石单晶生长的数学物理模型,并利用CGSim软件进行了具体的模拟和分析。全文从传热学、流体力学等基础理论出发,重点分析和研究了泡生法蓝宝石单晶生长过程中的传热传质特性、温场的改进与优化、晶体中的杂质和缺陷控制、退火工艺对晶体热应力的影响等,并提出了一种优化的热场结构。　　 在数值模拟和分析中发现,较大的轴向温度梯度有利于提高晶体的生长速率,而大的径向温度梯度有利于微凸界面的形成,但轴向温度梯度和径向温度梯度均不宜超过某一临界值,否则会导致晶体的开裂。另外,炉体结构和热场设计的不合理,会使熔体内的流动变成上下两个、流动方向相反的对流涡旋,从而使生长界面变得不稳定,导致已生长出的晶体出现重熔,减小了晶体的有用率,甚至使晶体出现宏观缺陷并极易开裂。　　 研究还发现,在高温、高真空度的条件下,炉内的传热方式以辐射为主,炉体顶部热屏结构、坩埚支座形状、以及炉底是否增加保温砖等,均严重影响长晶过程中的功率消耗。此外,由于泡生法的特殊炉体结构,使得晶体边缘距离热源较近,导致三相点附近的晶体内热应力过大,而顶部热屏的辐射作用在晶体“颈部”聚集,导致晶体“颈部”热应力也偏高。　　 最后,应用改进后的温场设计和工艺方法,进行了蓝宝石单晶生长实验,成功生长出了较大尺寸、质量较好的蓝宝石晶体。实验过程中所测得的引晶功率值及温场分布情况.与数值模拟结果吻合良好,验证了数值模拟所得出的结论。　　 本文的分析结果,可以作为泡生法生长大尺寸蓝宝石单晶的工艺指导,并可作为将来深入分析研究泡生法蓝宝石单晶生长机理的基础。