KDP类晶体快速生长技术研究

概述了本课题组在KDP类晶体快速生长领域的研究及进展情况.通过集成生长设备的管道系统、升级连续过滤系统、研发晶体生长过程的实时监控系统以及高精度退火设备,实现晶体生长系统的集成化;通过数值模拟优化晶体表面流场状态、全流程量化控制实现晶体稳定生长以及精密热退火进一步提升晶体性能;针对点籽晶快速生长KDP类晶体中存在的柱锥交界面问题,相继提出了长籽晶锥区限制生长法和长籽晶自由生长法,为大尺寸高性能KDP类晶体生长提供新的技术方案.     

KDP晶体“二维平动法”生长及其品质分析

首先测量了KDP溶液的亚稳区,并据此开展“点籽晶”KDP晶体快速生长实验.在实验中采用两种晶体运动方法-“二维平动法”和“旋转法”来生长晶体,分别得到尺寸为55 mm×55 mm×48 mm和60 mm×60 mm×45 mm的晶体.将两种运动方式生长的晶体通过透过光谱,锥光干涉图以及化学腐蚀方式进行质量对比.结果表明,两种方式生长的晶体透过光谱没有太大区别,都具有较高的透过率,但“二维平动法”生长的晶体具有较好光学均匀性,位错密度明显降低.说明“二维平动法”生长晶体的方式能够减少晶体内部缺陷,提高晶体质量.     

点籽晶定向生长70％DKDP晶体的研究

磷酸二氢钾(KDP)类晶体快速生长主要采用点籽晶快速生长方法,三维生长的点籽晶不可避免的会使晶体产生柱锥交界线,从而影响晶体的性能和质量.本文通过所设计的载晶架,改进传统点籽晶快速生长方法,采用点籽晶定向生长方法,成功生长出磷酸二氘钾晶体(70%DKDP),避开生长晶体中的柱锥交界线取片,并对其氘含量、透过率、抗激光损伤性能以及光学均匀性等指标进行了测试.结果表明:所生长的晶体氘含量符合设计要求,晶体透过率和抗激光损伤性能和传统点籽晶快速生长晶体保持一致.光学均匀性结果表明样片内部无柱锥交界线,对于大口径70%DKDP晶体的生长具有指导意义.     

点状籽晶法生长KDP晶体中散射颗粒分布

在不同的溶液pH值条件下进行了点状籽晶法慢速和快速生长KDP晶体实验,发展了观察晶体中散射颗粒分布的激光层析技术,通过图像处理得到了KDP晶体内部(100)面完整的散射颗粒分部图,对不同生长速度、不同pH值条件下点状籽晶法生长的KDP晶体的散射颗粒分部做了对比.利用表面光学投影技术观察了晶体表面宏观形貌,并由此分析了不同生长条件下生长机制对散射颗粒分布的影响.测定了散射颗粒密度不同部位的晶体透过率.     

点籽晶法快速生长中等口径KDP单晶及其性能表征

本文使用德国MERCK公司生产的KDP原料和自行研制的晶体快速生长装置,采用"点籽晶"快速生长法成功生长出了150 mm级中等口径的KDP单晶,晶体生长速度达到20 mm/d.晶体生长过程中,生长溶液稳定,没有杂晶出现,生长的晶体完好且透明.X射线粉末衍射和摇摆曲线分析表明晶体有着较好的结构完整性;同时,测试了晶体的透过光谱和光损伤阈值,发现快速生长的晶体有着较好的光学性能.     

K_(1-x)(NH_4)_xHV_2PO_4混晶的籽晶法生长与结构表征

在KDP为主的不同配比混合溶液中,以KDP为籽晶利用溶液降温法生长出了KADP混合晶体。研究了ADP晶体的浓度对所生长的KADP晶体的影响,并采用XRD和FT-IR对KADP晶体进行了表征。实验发现,随着生长溶液中ADP浓度的增加,KDP籽晶的成锥区越来越长,KADP晶体的Z向生长速度明显减小,KADP晶体晶胞参数c增加,而a基本没有变化。用KDP籽晶生长出KADP透明单晶时,混合溶液中ADP晶体的最大浓度约为8mol%。     

KDP晶体快速生长溶液的稳定性研究

本文研究了搅拌,过滤,过热和添加剂对KDP晶体快速生长溶液的稳定性的影响并分析了其影响机理.结果表明,利用0.2μm的滤膜对溶液过滤,在饱和点以上20℃时对溶液过热20h,或在溶液中添加某些特定的添加剂均可有效提高KDP晶体快速生长溶液的稳定性.通过对生长溶液进行综合的前处理,利用“点籽晶”快速生长技术实现了KDP晶体的快速生长,生长速度达20 mm/d,生长尺寸达5 cm量级.     

添加剂下KDP晶体的快速生长

本文在测定KDP溶解度曲线及介稳区的基础上,通过添加几种硼酸盐类添加剂,并采用Z切点籽晶实现了KDP晶体的快速生长,[001]和[100]方向的生长速度可达10～15mm/d(5L生长槽).     

快速生长大尺寸KDP单晶

用传统降温法生长了大尺寸KDP单晶,生长速度一般在1～2 mm/d,周期长,风险大.本文采用"点籽晶"快速生长法多次成功生长出了200 mm级的大尺寸KDP单晶,晶体生长速度达到20 mm/d,晶体生长正常.同时,摇摆曲线表明快速生长的晶体有着很好的结构完整性.     

溶液降温法快速生长KDP晶体的新装置

利用溶液降温法分别在锥形底生长装置和传统晶体生长装置中进行了KDP晶体点状籽晶法快速生长实验,对KDP晶体的生长条件进行了对比,分析了不同生长装置对KDP溶液稳定性的影响,利用扫描电镜观察了KDP晶体中的包裹体,测定了晶体的透过率,对比分析了锥形瓶快速生长装置的优越性.     

顶部籽晶法生长大尺寸CsLiB6O10晶体

以高纯硼酸、碳酸锂和碳酸铯为原料,摩尔比硼酸:碳酸锂:碳酸铯=11:1:1,采用顶部籽晶法,生长出尺寸为65 mm×22 mm×12 mm CsLiB6O10(CLBO)单晶,探讨了影响CLBO晶体生长的因素.对生长出的CLBO晶体的相关光学性质进行了研究.CLBO晶体的光学均匀性为3.6×10-5/cm,透过光谱表明该晶体的透光范围为185 nm到2790 nm,其紫外吸收边低于185 nm;用Maker干涉条纹测定了CLBO晶体的非线性光学系数为:d36(CLBO)=1.8d36(KDP).     

Na_3VO_2B_6O_(11)晶体的生长及光学性质研究

以Na2O-V2O5为自助熔剂体系,采用顶部籽晶法生长出尺寸为19mm×17mm×5mm的Na3VO2B6O11透明单晶。该晶体属于正交晶系,空间群为P212121,晶胞参数为a=0.77359(9)nm;b=1.01884(12)nm;c=1.25697(15)nm。该晶体在可见光区的双折射率范围为0.037～0.042,紫外吸收边为370nm,非线性光学效应与KDP晶体相当。该晶体易溶于酸,在空气中稳定存在,不易潮解,但沿(100)面易解理。     

KDP晶体(101)面生长动力学研究

晶体法向生长速度是晶体生长动力学研究的-个重要参数.用激光偏振干涉法实现了KDP晶体锥面生长速度的实时测量,发现KDP晶体锥面生长过程中存在与柱面类似的死区,对传统降温法生长大尺寸KDP晶体和点籽晶快速生长技术中过饱和度的控制有重要指导意义.用螺旋位错模型讨论了锥面生长的动力学规律.计算了锥面台阶自由能和动力学系数.     

非线性光学材料NaBa4Al2B8O18Cl3的固相合成与晶体生长

本文采用高温固相反应法在800℃合成了NaBa4Al2B8O18Cl3多晶粉末,探索了生长NaBa4Al2B8O18Cl3晶体的助熔剂,采用顶部籽晶技术分别以NaF和LiCl作助熔剂成功生长出NaBa4Al2B8O18Cl3透明晶体,晶体最大尺寸为22mm×22mm×15mm.粉末倍频测试测得NaBa4Al2B8O18Cl3晶体的粉末倍频强度为KDP的0.5～1.0倍.     

硫酸盐对KDP晶体完整性的影响

本文利用高分辨X射线衍射技术,在"点籽晶"陕速生长法基础上,研究了掺杂K2SO4对KDP晶体锥面及柱面扇形结构完整性的影响.结果表明,在5×10-5的掺杂条件下,K2SO4对KDP晶体不同扇形区域的影响略有不同,其原因主要在于[SO42-]与KDP晶体各扇形相互作用不同有关.     

Na+对KDP晶体生长的影响

本文利用传统的降温法和"点籽晶"快速生长法在不同Na+掺杂浓度的溶液中生长KDP晶体,定量研究了Na+对KDP晶体生长的影响.实验发现:Na+的存在降低了溶液的稳定性,致使KDP晶体柱面容易扩展.Na+的存在对KDP晶体的光学性能基本没有影响.     

KDP/DKDP晶体生长的研究进展

采用传统降温法,KDP晶体的生长速度一般在1～2 mm/d,DKDP晶体的生长速度甚至更慢,并且晶体的恢复区域较大,利用率低;而采用快速生长法,晶体的生长速度可以提高到20～50 mm/d,并且晶体的恢复区域小,利用率高.本文回顾了KDP/DKDP晶体生长的研究进展.并重点评述了KDP/DKDP晶体快速生长的研究进展,报道了近年来大尺寸、高质量KDP晶体的研究动态.     

新添加剂下KDP晶体快速生长及其性能表征

我们使用优级纯的KH2PO4和超纯水(电阻率≥18.2MΩ·cm)为原料,采用新的添加剂KCl(氯化钾)及EDTA钾盐,使生长溶液的稳定性得到提高,在5L生长槽内生长出51mm×54mm×40mm的KDP单晶,生长速度达到15～20mm/d,并检测了快速生长晶体的重要的应用性能,发现与高质量慢速生长晶体性能相当,可以达到使用要求.     

优质DKDP晶体的点状籽晶生长及其表征研究

本文在研究DKDP溶液稳定性的基础上,采用Z切点状籽晶(5mm×5mm×3mm)生长了多块DKDP晶体,在250ml和1000ml生长瓶中分别获得了在[100]和[001]向生长速度可达到3mm/d和4.5 mm/d的点状籽晶生长优质DKDP晶体的生长条件.通过等离子体发射光谱(ICP)和紫外可见光谱分析发现DKDP晶体柱面的金属离子含量比锥面高,柱面的紫外可见吸收比锥面大.性能测试结果表明,点状籽晶全方位生长的DKDP晶体的激光损伤阈值约为5GW/cm2、半波电压约为4kV、动态消光比约为1600∶1,发现与传统方法生长晶体的性能没有明显的差别.     

Ca^2＋对KDP晶体的光损伤阈值的影响

Ca2 是KDP原料中一种常见的杂质离子,这种杂质不仅会影响晶体的生长过程,而且会加重晶体的光散射.通过传统降温法和点籽晶快速生长法生长不同Ca2 掺杂浓度的KDP晶体样品,对样品进行激光损伤实验,结果表明,Ca2 的存在降低了KDP晶体的光损伤阈值,其原因主要在于Ca2 掺杂导致晶体内部缺陷增多,内应力增加以及晶体中的散射颗粒密度增大使晶体光吸收加重.