CN102618924B - 一种kdp类晶体侧向快速生长方法 - Google Patents

一种kdp类晶体侧向快速生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于溶液法生长晶体的技术领域，涉及一种KDP类晶体侧向快速生长方法，选择自组装晶体生长装置，用重结晶高纯KH2PO4和二次蒸馏水配置生长溶液，用纯KOH将溶液pH值调至5.0，测出KH2PO4溶液在pH＝5.0时的溶解度曲线，再配置浓度值为50克KH2PO4/100克水的生长溶液将pH值调至5.0进行过滤过热处理后，将降温至饱和点温度以上，将片状籽晶固定在籽晶架AB板之间下方中心处放生长缸中，待籽晶微溶后将生长溶液温度降至饱和点，根据溶解度曲线和溶液体积设定降温程序，采用正-停-反的顺序转动籽晶架，到晶体生长到设定尺寸得II类相位匹配的片状KDP晶体；其生长装置成本低，制造简单，晶体生长易控，生长质量好，易于加工。

Description

一种KDP类晶体侧向快速生长方法
技术领域：
本发明属于溶液法生长晶体的技术领域，涉及一种水溶性非线性光学晶体的定向生长方法，特别是一种KDP类晶体侧向快速生长方法，根据不同的相位匹配方向，直接生长满足倍频应用要求的片状晶体，提高晶体的利用率，降低切割加工难度和生长成本。
背景技术：
KDP类晶体是一类性能优良的非线性光学晶体材料，具有较大的非线性光学系数，较宽的透光波段，易于实现相位匹配，而且可以生长出优质大尺寸的单晶体，是目前唯一可用于激光核聚变工程中的非线性光学材料。随着高功率激光技术的不断发展，对KDP类晶体的光学质量、数量和尺寸的要求正在不断提高，这对该类晶体生长的研究提出了新的更高的要求。目前，KDP类晶体的生长方法主要有两种，片状籽晶传统生长方法和近年来发展起来的点状籽晶快速生长方法，但无论是传统生长方法还是快速生长方法，都是让晶体以固有的结晶学形状自由生长，因为KDP类晶体属于四方晶系，最终都生长出外形为四棱柱和四棱锥聚体状的KDP晶体，长成的晶体在使用时部分重新加工，且加工工艺比较麻烦，浪费人财力和能源；而在高功率激光器倍频材料的相位匹配设计上，采用I类匹配(Θ＝42°)的KDP作为二倍频晶体，采用II类匹配(Θ＝59°)的DKDP作为三倍频晶体，尤其是二倍频材料采用的I类KDP晶体，由于I类匹配角Φ＝45°，要制备截面为40×40cm2的倍频晶体元件，就需要生长出大于56×56cm2的大口径KDP晶体，因此现有两种KDP晶体生长方法得到的晶体都存在利用率不高的问题，而且KDP晶体脆性较大，从具有完整晶形的晶体上按照不同相位匹配方向切割晶体样品时技术难度大，容易失败。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有两种KDP晶体生长方法中存在的缺点，针对以固有结晶学形状自由生长的晶体都存在利用率不高和加工困难的问题，提出限制KDP类晶体各晶面的自由生长，使晶体只沿倍频器件的侧向二维快速生长，直接生长出满足倍频应用要求的片状晶体，使KDP类晶体的利用率达到100％，降低自由生长晶体的切割加工难度，及由此引起的高成本、低利用率。
为了实现上述目的，本发明利用自组装晶体生长装置及其籽晶架限制KDP类晶体各晶面的自由生长，通过调节生长溶液的pH值来调控不同晶面的生长速度，使晶体只沿倍频器件的侧向二维快速生长，直接生长出满足倍频应用要求的片状晶体；所述的籽晶架选取有机玻璃为基体材料，籽晶架的各棱角处抛光，以防止籽晶架的引入引起溶液中的二次成核，破坏生长溶液的稳定性；将晶体生长限制在A板和B板之间，限制晶体在A板和B板之间二维生长，晶体的厚度通过改变A、B两板之间的距离控制，籽晶架的尺寸根据要生长多大尺寸晶体确定；I类和II类相位匹配晶体器件的侧向是KDP类晶体的柱面，KDP类晶体的柱面生长表面容易吸附生长溶液中的三价金属离子阻碍生长，导致生长速度小于晶体的锥面，在低溶液过饱和度条件下，柱面生长会被完全抑制；要使晶体沿柱面二维快速生长，须调控晶体柱面和锥面的生长速度，提高柱面的生长速度；KDP晶体生长溶液的本征pH值为3.8-4.2，随溶液浓度的不同而变化，通过调高生长溶液的pH值，降低生长溶液中三价杂质金属离子的浓度，提高柱面的生长速度，当生长溶液的pH值调至5.0时，晶体柱面与锥面的生长速度之比达到1∶1；在籽晶架将晶体生长限制在二维方向的基础上，将生长溶液的pH值调至5.0，能实现晶体的稳定侧向快速生长，直接生长出满足倍频应用要求的片状晶体；生长溶液的pH值调整使晶体的溶解度发生变化，晶体生长时，不能按照传统的未调pH值溶解度曲线设定降温程序，要重新测定相应pH值下的晶体溶解度曲线，按照新测定的溶解度曲线设定降温程度，保证侧向快速生长过程中溶液的稳定性。
本发明实现KDP类晶体侧向快速生长时，先选择自组装晶体生长装置，利用经重结晶的高纯KH2PO4和二次蒸馏水配置浓度值分别为27、33、39、46、53克KH2PO4/100克水的生长溶液，然后用纯KOH将这些不同浓度值的溶液pH值调至5.0，测出KH2PO4溶液在pH＝5.0时的溶解度曲线，再按照生长缸容积的大小，配置浓度值为50克KH2PO4/100克水的生长溶液，将生长溶液的pH值调至5.0，对生长溶液进行过滤过热处理后，将温度降至饱和点温度以上2-3℃，将符合II类相位匹配的KDP类晶体的片状籽晶固定在自组装晶体生长装置的籽晶架的A板和B板之间下方中心处，然后放入晶体的生长缸中，待籽晶微溶后，将生长溶液温度降至饱和点温度，根据pH＝5.0的溶解度曲线和生长溶液的体积计算并设定降温程序，生长初期的降温速度为0.5-0.8℃/d，随着晶体的长大，降温速度逐渐增大到1.0-2.0℃/d。使籽晶架的转速设定为15r/min，采用正-停-反的顺序转动方式由电机带动转动籽晶架，直到晶体生长到设定尺寸即完成晶体的定向生长，得到II类相位匹配的30×30×5mm3的片状KDP晶体。
本发明与现有技术相比，其选用的生长装置为自组装结构，成本低，制造简单，晶体的生长溶液配制方便，晶体生长形状易控，生长速度快，质量好，易于生产加工，生长环境友好。
附图说明：
图1为本发明涉及的KDP类晶体的相位匹配方向结构原理示意图，其中(a)和(b)分别为II类和I类相位匹配方向结构原理示意图。
图2为本发明涉及的三种KDP晶体的外形结构示意图，其中(a)、(b)和(c)分别为传统方法生长的片状籽晶晶体、点状籽晶快速生长方法生长晶体和侧向晶体生长方法生长的产品外形示意图。
图3为本发明涉及的侧向生长籽晶架的结构原理示意图，其中，生长时A和B板用尼龙螺丝平行固定在一起，中间C为侧向生长晶体。
图4为本发明的实施例中测出的pH＝5.0和未调pH值时KDP晶体的溶解度曲线。
图5为本发明使用的自组装晶体侧向生长装置结构原理示意图，其中包括电机1、油封2、热电偶3、侧向生长用的籽晶架4和生长缸5。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图作进一步说明。
实施例：
本实施例先选择自组装晶体生长装置，利用经重结晶的高纯KH2PO4和二次蒸馏水配置浓度值分别为27、33、39、46、53克KH2PO4/100克水的生长溶液6，然后用纯KOH将这些不同浓度值的溶液pH值调至5.0，测出KH2PO4溶液在pH＝5.0时的溶解度曲线，再按照生长缸5容积的大小，配置浓度值为50克KH2PO4/100克水的生长溶液6，将生长溶液6的pH值调至5.0，对生长溶液6进行过滤过热处理后，将温度降至饱和点温度以上2-3℃，将符合II类相位匹配的KDP类晶体的片状籽晶固定在自组装晶体生长装置的籽晶架4的A板和B板之间下方中心处，然后放入晶体的生长缸5中，待籽晶微溶后，将生长溶液6温度降至饱和点温度，根据pH＝5.0的溶解度曲线和生长溶液6的体积计算并设定降温程序，生长初期的降温速度为0.5-0.8℃/d，随着晶体的长大，降温速度逐渐增大到1.0-2.0℃/d。使籽晶架4的转速设定为15r/min，采用正-停-反的顺序转动方式由电机1带动转动籽晶架4，直到晶体生长到设定尺寸即完成晶体的定向生长，得到II类相位匹配的30×30×5mm3的片状KDP晶体。
本实施例涉及的自组装晶体生长装置的主体结构包括电机1、油封2、热电偶3、籽晶架4、生长缸5、生长溶液6和支撑架7；瓶式结构的透明生长缸5固定在支撑架7的底座上，生长缸5中的70-85％的空间中充有生长溶液6，方体结构的籽晶架4悬空式置于生长缸5中心处，籽晶架4与支撑式固定于支撑架7顶端的电机1直杆式串过生长缸5顶部口处的油封2刚性连接，电机1的转动与籽晶架4连动，油封2中的液体密封油将生长缸与外界隔绝，并保证连接籽晶架的直杆与油封2之间能够无摩擦的相对转动；生长缸5中内侧处直向制有热电偶3，以便于加热生长溶液并控制生长溶液的温度变化；籽晶架4包括有机玻璃质的A板和B板，A板框架式嵌套结构扣接B板，通过尼龙螺丝将A板和B板固定牢固；A板和B板之间的空间下部放置片状籽晶生长，籽晶通过A板和B板之间的夹持力固定，并使生长晶体置于生长溶液6中，在各方向均匀接触生长溶液6。

Claims (1)

1.一种KDP类晶体侧向快速生长方法，其特征在于先选择自组装晶体生长装置，用重结晶高纯KH2PO4和二次蒸馏水配置浓度值分别为27、33、39、46、53克KH2PO4/100克水的生长溶液，然后用纯KOH将这些不同浓度值的溶液pH值调至5.0，测出KH2PO4溶液在pH＝5.0时的溶解度曲线，再按照生长缸容积的大小，配置浓度值为50克KH2PO4/100克水的生长溶液，将生长溶液的pH值调至5.0，对生长溶液进行过滤过热处理后，将温度降至饱和点温度以上2-3℃，将符合Ⅱ类相位匹配的KDP类晶体的片状籽晶固定在自组装晶体生长装置的籽晶架的A板和B板之间下方中心处，然后放入晶体的生长缸中，待籽晶微溶后，将生长溶液温度降至饱和点温度，根据pH＝5.0的溶解度曲线和生长溶液的体积计算并设定降温程序，生长初期的降温速度为0.5-0.8℃/d，随着晶体的长大，降温速度逐渐增大到1.0-2.0℃/d，使籽晶架的转速设定为15r/min，采用正-停-反的顺序转动方式由电机带动转动籽晶架，直到晶体生长到设定尺寸完成晶体的定向生长，得到Ⅱ类相位匹配的片状KDP晶体；涉及的自组装晶体生长装置包括电机、油封、热电偶、籽晶架、生长缸、生长溶液和支撑架；透明生长缸固定在支撑架的底座上，生长缸中的空间中充有生长溶液，方体结构的籽晶架悬空式置于生长缸中心处，籽晶架与支撑式固定于支撑架顶端的电机直杆式串过生长缸顶部口处的油封刚性连接，电机与籽晶架连动，油封中的液体密封油将生长缸与外界隔绝并保证连接籽晶架的直杆与油封之间能够无摩擦转动；生长缸中内侧处制有热电偶，加热生长溶液并控制生长溶液的温度；籽晶架包括有机玻璃质的A板和B板，A板框架式嵌套结构扣接B板，通过尼龙螺丝将A板和B板固定牢固；A板和B板之间的空间下部放置片状籽晶生长，籽晶通过A板和B板之间的夹持力固定，并使生长晶体置于生长溶液中各方向均匀接触生长溶液。
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