CN112391678B - 一种大尺寸x面ktp晶体及其生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非线性晶体材料技术领域，具体涉及一种大尺寸X面KTP晶体及其生长方法，所述大尺寸X面KTP晶体采用如下生长方法制得，以X面作为籽晶生长面，将籽晶浸入熔液中下种籽晶并生长，晶体生长过程中不提拉籽晶，所述籽晶的X面、Y面和Z面相互垂直，且浸入熔液的X面与Z面相交的两条边为倒角边。本发明方法对籽晶形状和浸入熔剂的方向进行了创造性选择，从而缩小KTP晶体在X轴、Y轴和Z轴三个方向上的生长速度差异，并最终获得具备良好的光学均匀性、大的尺寸和更高的利用率的KTP晶体。

Description

一种大尺寸X面KTP晶体及其生长方法
技术领域
本发明涉及非线性晶体材料技术领域，具体涉及一种大尺寸X面KTP晶体及其生长方法。
背景技术
磷酸钛氧钾(KTiOPO4，简称KTP)具有优异的非线性光学性能，其非线性光学系数大，可接受角宽、不易潮解、光损伤阈值可达GW/cm2量级、相位匹配的热稳定性好，是目前中小功率Nd：YAG激光器1.06μm倍频的最佳材料之一。实际上，人们发现KTP所具备的大电光系数和低介电常数使之可以用于电光应用，如调制器或Q开关等；KTP的电光波导品质因数几乎是其它任何无机材料的两倍，显示了其在集成光学方面的应用前景。
现阶段，KTP晶体生长多采用助溶剂法，该方法具备工艺成熟稳定、晶体光学均匀性好、成品率高、生长条件宽松等优点。但是，由于KTP晶体的生长习性，KTP晶体生长过程中Y轴、Z轴的生长速度明显大于X轴生长速度，决定了此法生长的KTP晶体X轴方向尺寸小，一般不使用X轴向种子生长晶体，使得X面的应用尺寸小，大尺寸器件的应用难以实现。
基于此，有必要提供一种大尺寸X面KTP晶体及其生长方法。
发明内容
针对现有助溶剂法生长KTP晶体X轴方向尺寸小的技术问题，本发明提供一种大尺寸X面KTP晶体及其生长方法，该方法对籽晶形状和浸入熔剂的方向进行了创造性选择，从而缩小KTP晶体在X轴、Y轴和Z轴三个方向上的生长速度差异，并最终获得具备良好的光学均匀性、大的尺寸和更高的利用率的KTP晶体。
第一方面，本发明提供一种大尺寸X面KTP晶体生长方法，所述方法为以X面作为籽晶生长面，将籽晶浸入熔液中下种籽晶并生长，晶体生长过程中不提拉籽晶，所述籽晶的X面、Y面和Z面相互垂直，且浸入熔液的X面与Z面相交的两条边为倒角边。
进一步的，所述倒角边与竖直方向的夹角为30°～60°，优选为45°。
进一步的，所述方法包括如下步骤：
(1)从可获得的X轴向的KTP原晶胚料中切割籽晶，籽晶的X面、Y面和Z面相互垂直，对籽晶其中一个X面与Z面相交的两条边进行倒角处理；
(2)以经倒角处理的X面为籽晶生长面，将籽晶浸入熔液中进行下种籽晶并生长，晶体生长过程中不提拉籽晶。
进一步的，所述熔液中KTP与磷酸盐助熔剂K6P4O13的质量比为0.4-0.5:1。
进一步的，所述熔液的制备方法为：根据KTP与K6P4O13的质量比，计算出所需KH2PO4、TiO2和K2CO3的质量，将KH2PO4、TiO2和K2CO3充分均匀混合后置于铂金坩埚中，先升温至1000℃进行充分的熔化反应，反应时间为6～18h，然后升温至1100℃进行烧料，烧料时间为12～36h，再恒温搅拌12～36h，形成均匀稳定的熔体，最后对熔液进行冷却，冷却后熔液温度为TS～(TS+10)℃，其中TS表示饱和温度。
进一步的，所述经倒角处理的X面浸入熔液的深度≤5mm，优选为0.5～5mm。
进一步的，整个晶体生长周期的降温幅度为200℃±30℃，降温速率为0.5～3℃/天，生长周期110天，晶体转动速度30r/min。
第二方面，本发明提供一种利用上述方法制得的大尺寸X面KTP晶体。
本发明的有益效果在于，
本发明提供的大尺寸X面KTP晶体生长方法以经倒角处理的X面为下种方向，加大了晶体的生长面，缩短了晶体的生长周期；晶体生长过程中不进行提拉操作，保证X轴、Y轴和Z轴三个方向均能得到充分生；采用本发明方法能够获得尺寸为30*100*110mm3(X*Y*Z)、重量达525g的高质量透明KTP晶体，能满足切割大尺寸器件的要求，一定程度上提高了晶体的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1方法步骤(1)制备的籽晶的结构示意图；
图2是实施例1方法步骤(2)生长的晶体的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1、2所示，一种大尺寸X面KTP晶体，该晶体的生长方法包括如下步骤：
(1)从可获得的X轴向的KTP原晶胚料中切割籽晶，籽晶的X面、Y面和Z面相互垂直，籽晶尺寸为20*4*4mm3(X*Y*Z)对籽晶其中一个X面与Z面相交的两条边细磨倒角，倒角边与竖直方向的夹角为45°；
(2)以KTP与K6P4O13的质量比＝0.46:1，计算出所需KH2PO4、TiO2和K2CO3的质量分别为2271g、330g和434g，将KH2PO4、TiO2和K2CO3充分均匀混合后置于铂金坩埚中，先升温至1000℃进行充分的熔化反应，反应时间为6h，然后升温至1100℃进行烧料，烧料时间为12h，再恒温搅拌24h，形成均匀稳定的熔体，最后冷却到熔液的饱和点；
其中，反应生成K6助熔剂的化学方程式如下：
4KH2PO4+K2CO3→K6P4O13+4H2O↑+CO2↑；
反应生成KTP的化学方程式如下：
KH2PO4+TiO2→KTiOPO4+H2O↑；
以经倒角处理的X面为籽晶生长面，将籽晶浸入熔液中进行下种籽晶并生长，浸入深度为5mm，整个晶体生长周期的降温幅度为200℃，前43天降温速率为0.6℃/天，之后每天降温速率为2.6℃/天，生长周期共110天，晶体转动速度30r/min，晶体生长过程中不提拉籽晶。
晶体生长110天后，得到尺寸为30*100*110mm3(X*Y*Z)、重量达525g的高质量透明KTP晶体。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种大尺寸X面KTP晶体生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)从可获得的X轴向的KTP原晶胚料中切割籽晶，籽晶的X面、Y面和Z面相互垂直，对籽晶其中一个X面与Z面相交的两条边细磨倒角，倒角边与竖直方向的夹角为45°；
(2)以KTP与K6P4O13的质量比＝0.46:1，将KH2PO4、TiO2和K2CO3充分均匀混合后置于铂金坩埚中，先升温至1000℃进行充分的熔化反应，反应时间为6h，然后升温至1100℃进行烧料，烧料时间为12h，再恒温搅拌24h，形成均匀稳定的熔体，最后冷却到熔液的饱和点；
以经倒角处理的X面为籽晶生长面，将籽晶浸入熔液中进行下种籽晶并生长，浸入深度为5mm，整个晶体生长周期的降温幅度为200℃，前43天降温速率为0.6℃/天，之后每天降温速率为2.6℃/天，生长周期共110天，晶体转动速度30r/min，晶体生长过程中不提拉籽晶。
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