超大尺寸KDP/DKDP晶体研究进展

KDP/DKDP晶体具有生长方法简单、成本较低、光学性能良好等优点,而可生长出的超大尺寸KDP/DKDP晶体是目前唯一可用于高功率激光工程的单晶材料。但是在晶体的生长过程中存在很多影响因素,同时对晶体进行后处理也会影响晶体的性能,这都直接关系到超大尺寸KDP/DKDP晶体的实际应用。鉴于此,本文综述了近些年超大尺寸KDP/DKDP晶体的重要研究进展, 特别是针对传统生长和快速生长中存在的问题和相应的解决对策以及晶体性能相关的研究,并重点对晶体的透过率、氘化率、激光诱导损伤等进行了分析和讨论。     

间硝基苯胺晶体的定向生长及光学性能研究

采用过冷熔体定向约束生长方法生长了尺寸约为30×15×8 mm3的块状间硝基苯胺晶体,并对生长晶体的光学均匀性、光学透过率、二次谐波转换效率以及激光损伤阈值等性能进行了测试.结果表明:生长的间硝基苯胺晶体在500～1150 nm波段内的光学透过率均在92;以上;最高二次谐波转换效率达到69.6;;单点激光脉冲损伤阈值分别为19.8 GW/cm2(输入光波为1064 nm)和45.3 GW/cm2(输入光波为532 nm).采用过冷熔体定向约束生长的间硝基苯胺晶体适合用作Nd: YAG激光的二次倍频器件,也适于作500～1150 nm波段的光学调制器件.     

4-氨基二苯甲酮晶体的定向生长及光学性能研究

采用过冷熔体定向约束生长法生长了尺寸约为30 mm×14 mm×7 mm的块状4-氨基二苯甲酮晶体,并对生长晶体的光学均匀性、光学透过率、二次谐波转换效率以及激光损伤阈值等性能进行了测试.结果表明:定向生长的4-氨基二苯甲酮晶体在650~1200 nm波段内具有90;以上的光学透过率;最高二次谐波转换效率达到64.9;;单点激光脉冲损伤阈值分别为205.4 GW/cm2(输入光波为1064 nm)和267.2 GW/cm2(输入光波为532 nm).采用过冷熔体定向约束生长的4-氨基二苯甲酮晶体适合于用作Nd: YAG激光的二次倍频器件,也适合于用作650~1200 nm波段的光学调制器件.     

CLBO单晶生长及性能研究

CsLiB₆O₁₀(简称CLBO)是一种性能优良的紫外非线性光学晶体，特别适用于四倍频(266 nm)和五倍频(210 nm)的紫外大功率激光。本文采用顶部籽晶法成功生长出尺寸为120 mm×112 mm×62 mm的CLBO晶体，晶体外观完整，无开裂、散射等宏观缺陷。由该晶体切出五倍频CLBO晶体元件，对其进行了紫外-可见-近红外透过率、光学均匀性、弱吸收性能表征，结果显示，210～1 800 nm的平均透过率超过90%,光学均匀性为3.8×10^-5,1 064 nm弱吸收为90×10^-6 cm^-1,表明该晶体紫外区透过率良好，光学均匀性高，弱吸收低，为后续相关激光应用研究奠定了基础。     

RTP电光晶体的生长及其器件性能研究

磷酸氧钛铷(RbTiOPO₄,简称RTP)是综合性能优异的电光晶体，具有电光系数高、半波电压低、激光损伤阈值高、器件小巧、环境适应性强等优点，已成为新一代电光器件应用材料，非常适合用作电光开关、电光调制器等。激光系统的发展迫切需求更高功率、更高重复频率和更窄脉宽激光用高性能电光晶体，基于此，本文选用富Rb的高[Rb]/[P]摩尔比值生长体系，通过顶部籽晶熔盐法生长出高质量RTP晶体，测试了晶体或器件的光学均匀性、重复频率、插入损耗、消光比和抗激光损伤阈值，结果表明，该晶体的光学均匀性为7.3×10^-6 cm^-1,重复频率为501 kHz,插入损耗为0.49%,消光比为31.57 dB,激光损伤阈值为856 MW/cm²。     

横向双锥快速生长35%DKDP晶体的研究

在ICF工程中II类三倍频晶体使用的是含氘量70%DKDP晶体,而70%DKDP晶体生长难度大,成本高,因此选用氘含量低,性能达到工程要求的DKDP晶体作为II类三倍频晶体是很有必要的.采用横向双锥快速生长技术生长氘含量约35%DKDP晶体,按照II类方向进行切割,测试三倍频激光损伤阈值和横向受激拉曼散射效应(TSRS),并与70%DKDP晶体进行对比.实验结果表明,所生长含氘量35%DKDP晶体比70%DKDP晶体损伤阈值约高1.8倍,而在881.7 cm^-1,35%DKDP晶体的拉曼散射峰值强度比70%DKDP晶体高出约23%,70%DKDP晶体的TSRS比35%小.     

高抗灰迹KTP晶体生长与性能研究

采用顶部熔盐籽晶法生长了具有高抗灰迹性能的KTiOPO4(HGTR-KTP)晶体,并对其透过光谱、光学均匀性、相位匹配角、抗激光损伤阈值等性能进行了表征和测试,与普通KTP晶体的对比和大功率激光实验表明该晶体具有高的抗灰迹性能。     

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.     

溶液法生长氘化磷酸二氢铵(DADP)晶体及其性能研究

使用优级纯的NH4H2PO4(含量＞99.5;)和重水(纯度＞99.5;)为原料,在重水中经过三次氘化重结晶,获得含氘量＞95;的结晶原料.上述DADP晶体作为原料配成1000ml的饱和溶液,用降温转动法生长出22mm×23mm×78mm尺寸的透明大晶体,并且测定其晶体结构、透过光谱和激光损伤阈值.从数据分析来看在最重要的光谱应用波段(1.06μm附近)DADP晶体综合性能是很优越的,这使得DADP有利于作为电光晶体材料和制作高频高灵敏度的电光器件.     

原料对DKDP晶体生长习性及光学性能的影响

通过传统降温法,利用不同原料从氘化程度为85;的溶液中生长DKDP晶体并对加工样品进行了相关测试.研究了不同原料对DKDP晶体的生长和光学性能的影响.实验表明:采用高纯原料所得DKDP晶体的光学性能提高,但其晶体生长容易出现外扩现象.     

4英寸氧化镓单晶生长与性能

本文使用导模法(EFG)制备了4英寸氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶,并对晶体物相、结晶质量、缺陷、光学及电学特性进行了研究。晶体不同方向劳厄(Laue)衍射斑点清晰一致,符合β-Ga₂O₃衍射特征。晶体(400)面摇摆曲线半峰全宽(FWHM)为57.57″,通过化学腐蚀获得其腐蚀坑位错密度为1.06×10⁴ cm^-2。晶体在紫外截止边为262.1 nm,对应光学带隙为4.67 eV。通过C-V测试分析获得非故意掺杂晶体中的电子浓度为7.77×10¹⁶ cm^-3。     

原位ATR-IR光谱实时研究DKDP的结晶过程

采用全反模式的红外(ATR-IR)光谱实时研究了不同氘含量KH_2-xD_xPO₄(DKDP)晶体的结晶过程,其中DKDP溶液氘含量范围为0到99%。通过υ₁(PO₄)和υ₃(PO₄)振动表征了DKDP结晶溶液中(H₂PO₄^-)_1-x(D₂PO₄^-)_x离子基团浓度的变化。υ₁(PO₄)振动强度的变化和υ₃(PO₄)振动宽度的变化说明生长溶液中的(H₂PO₄^-)_1-x(D₂PO₄^-)_x离子浓度随着测试时间延长而不断增大。同时,δ(P—O…H/D—O—P)振动峰的形成说明DKDP晶体的生长基元为(H₂PO₄^-)_n-x(D₂PO₄^-)_x离子团簇。波数在1 448 cm^-1到1 653 cm^-1范围内H—O—H和D—O—D振动强度的变化解释了DKDP晶体在结晶过程中氘含量分布不均的现象。     

Study on K(DxH1‐x)2PO4 Crystals: Growth Habit,Optical Properties and their Improvement by Thermal‐Conditioning

Phosphite, which often exists in growth solutions obtained directly from commercial P₂O₅ , was found to have significant inhibiting effects on the growth of pyramidal face of KDP crystals. K(D_xH_1‐x)₂PO₄ (referred to as DKDP) crystals with different deuterium fraction x were grown and the optical performances were investigated. The absorption coefficients at 1.05 μm decreases monotonically with the increase of x. The transmission threshold shift from 1.65μm at x=0 to 2.10 μm at x=0.96. The high temperature phase transition temperature and latent heat were measured using the method of differential scanning calorimetry (DSC). Thermal conditioning experiments were carried out at 180°C and 140°C for KDP and DKDP, respectively. After conditioning, a different degree of improvement was observed in the optical homogeneity of the samples, while the laser damage threshold and light absorption coefficient showed no significant change.     

8英寸氟化钙单晶生长

氟化钙(CaF₂)晶体是一种性能优良的光学晶体材料。本研究用坩埚下降法生长了8英寸(20.32 cm)氟化钙单晶,晶体外观完整,无开裂及散射等宏观缺陷。定向切割后得到ϕ40 mm×6 mm的透明圆柱形晶体毛坯,对毛坯样品进行二次退火处理后进行研磨抛光得到最终样品。对该系列样品进行紫外可见透过率、光学均匀性、应力双折射等测试。结果显示在200 nm波长处晶体透过率达到90%,平均应力双折射小于0.5 nm/cm,光学均匀性达到2.63×10^-6。     

6英寸低位错锗单晶生长热场设计

锗片作为衬底材料已在空间太阳电池领域得到广泛的应用,新型锗基空间太阳能电池对锗片的需求由4英寸(1英寸=2.54 cm)提高到6英寸后,低位错锗单晶的生长难度增大。本文设计开发了一种适用于直拉法生长大尺寸、低位错锗单晶的双加热器热场系统,模拟研究了不同形状主加热器的热场分布,从而得到最优的热场环境。研究发现:渐变长度为L/h=1/2、渐变率α为65°的渐变型主加热器热场结构能够获得最佳的热场分布,有利于低位错单晶的生长。经验证,生长的锗单晶热应力较低,位错密度在310～450 cm^-2范围内。     

Ce3+掺杂CsPbBr3纳米晶的制备与性能

采用热注入法制备Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶,利用XRD、TEM、XPS、UV-Vis、PL、Time-resolved fluorescence spectroscopy、J-V曲线测试等对样品的晶体结构、微观形貌、化学组成、光吸收性能、发光性能、荧光寿命和荧光太阳能集光器(LSC)的光学效率进行表征。实验结果表明:采用热注入法成功制备出分散性良好、平均晶粒大小为12.26 nm的立方相Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶。Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶的光学带隙和荧光发射峰强度随着Ce/Pb摩尔比的增加呈现先增大后减小的变化趋势,当n(Ce)/n(Pb)=0.25时,光学带隙达到最大为2.416 eV,发光强度最强,荧光发射峰由纯CsPbBr₃纳米晶的515 nm蓝移到510 nm,Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶的发光性能与稳定性均得到增强。Ce³⁺掺杂CsPbBr₃纳米晶与聚苯乙烯溶液制备复合薄膜型LSC器件的光学效率ηopt最高达到6.81%。     

A survey of research on KTP and its analogue crystals

This paper reviews the growth and properties of KTiOPOP₄ (KTP) and its analogue crystals including its isomorphous crystals and doped crystals. Based on the calculation of the refractive indices and phase matching of KTP crystals, it is shown that non-critical phase matching can be achieved theoretically. In a 4%Nb-doped KTP crystal, non-critical phase matching was obtained with a pulsed Nd:YAG laser in an efficiency of ca. 4%. Most of the isomorphous and doped KTP crystals possess similar physical, optical and nonlinear optical properties as those of KTP.RbTiOPO₄, KTiOASO₄ and RbTiOASO₄ crystals have better electrooptical figure of merit and RbTiOPO₄ crystals have a fast ion conductor character. Some doped KTP crystals have shown high second harmonic generation efficiencies and damage thresholds. But the homogeneity of KTP analogue crystals is poorer than that of KTP. On the base of damage threshold tests using a CW Argon laser, it is concluded that the best second harmonic generation crystal among all the KTP analogue crystals is still KTP itself. Special care must be taken to eliminate impurity centers to avoid the formation of gray track and photorefractive centers.     

退火处理对DKDP晶体光学均匀性的影响研究

分别对不同生长速度的DKDP晶体进行了退火处理.结果表明,适当温度的退火处理能有效地提高晶体的光学均匀性,尤其是对快速生长的晶体质量提高更为显著.在实验温度范围内,退火温度越高,质量改善越明显.对退火机理进行了初步讨论.