CN113089074B - Dkdp晶体长籽晶二维运动生长方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于二维运动的DKDP晶体长籽晶生长方法，具有两大优势，一是沿柱面生长晶体，不存在低光学质量的柱锥交界面；二是免除了转晶法晶体生长中不可避免的迎流、侧流和尾流三种易引起包裹物形成的流动区域。长籽晶在新鲜溶液中周期运动，运动一周四个柱面能实现可逆剪切流，且柱面上任一点在一个运动周期内经历完全一样的流体力学条件，使溶质供应既充分又均匀，生长速度得以提高，形貌稳定性能得到保证。该方法有利于快速生长高质量的DKDP晶体，为ICF激光装置所需的大尺寸、高质量DKDP晶体生长提供较好的解决方案。

Description

DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法
技术领域
本发明属于人工晶体生长领域，具体涉及DKDP晶体的生长方法，旨在通过二维运动的方式快速生长出高质量的DKDP晶体。
背景技术
由于可以有效抑制横向受激拉曼散射，所以大口径DKDP晶体是惯性约束核聚变(ICF)装置中唯一可用的混频元件。DKDP晶体的生长一直以来主要采用传统慢速生长法和点籽晶全方位快速生长法。传统慢速生长法采用片状籽晶在低过饱和度的生长溶液中沿着[001]方向生长，[100]方向不生长，最终得到的晶体全部是锥面生长出来的锥区，但是生长速度慢，生长周期较长。点籽晶全方位快速生长法采用点籽晶在高过饱和度的生长溶液中沿着[100]和[001]方向生长，最终得到的晶体包含柱面生长出来的柱区和锥面生长出来的锥区，所以晶体内部柱区和锥区的交界处形成了柱锥交界面，这部分的晶体质量较差，是制约晶体整体质量的短板。而长籽晶生长法，在保持了快速生长法较高生长速度的前提下，通过提高籽晶的高度、在长籽晶对应的柱面区域进行三倍频元件的切割，彻底消除了点籽晶快速生长固有的锥柱交界面问题，是DKDP晶体生长领域的新方法。具体参见本课题组发表的论文D.Chen,B.Wang,H.Wang,X.Zhu,Z.Xu,Y.Zhao,S.Wang,K.Ni,L.Zheng,H.Zhang,H.Qiand J.Shao,Rapid growth of a long-seed KDP crystal[J].High Power Laser Sci.,2020,8.
然而长久以来，DKDP晶体生长都是通过转晶法，即晶体围绕一个旋转中心在载晶架或者晶体托盘上进行生长。由于DKDP晶体是规则的四棱柱加四棱锥形状，在旋转生长的过程中，不可避免的存在迎流、侧流和尾流三种易引起包裹物形成的流动区域，同时，晶体的棱边和晶面中心的线速度不同，导致晶体在旋转过程中，表面不同位置的剪切应力和边界层厚度不同。这种晶体表面流体力学不均匀将会导致晶体生长微观溶质输运过程的不均匀，不利于生长出高光学均匀性的DKDP晶体。特别是晶体尺寸比较大的时候，晶体表面溶质传输的不均匀会引起白纹、添晶和点裂等宏观缺陷，甚至导致晶体生长的失败。因此，需要创新性的提出新的DKDP晶体生长方法，解决转晶法中流体力学不均匀的缺陷。
发明内容
为克服现有长籽晶DKDP晶体生长存在的上述问题，本发明提供一种基于二维运动的DKDP晶体长籽晶生长方法。该方法有利于快速生长高质量的DKDP晶体，为ICF激光装置所需的大尺寸、高质量DKDP晶体生长提供较好的解决方案。
本发明的技术解决方案如下：
一种DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法，其特点在于，在生长槽上部安装二维运动电机，该二维运动电机的下端与载晶架连杆相连；长籽晶DKDP晶体在生长过程中，二维运动电机带动载晶架在生长槽内的生长溶液中按照正方形的运动轨迹在水平面上作周期平动，直至晶体生长结束。
所述的载晶架按照正方形的运动轨迹在水平面上作周期平动的正方形运动的单边采用“速度从0以加速度a进行匀加速直线运动-速度达到V后维持匀速直线运动-以加速度a进行匀减速直线运动直至速度降为0”的运动模式。其中，正方形运动的单边长度范围为50～500mm，匀加速直线运动的加速度a范围为0.01～1m/s2，匀减速直线运动的速度V范围为0.01～1m/s，所述的生长槽横截面为正方形。
本发明的技术效果如下：
一是沿柱面生长长籽晶DKDP晶体，不存在低光学质量的柱锥交界面；二是免除了转晶法晶体生长中不可避免的迎流、侧流和尾流三种易引起包裹物形成的流动区域。长籽晶在新鲜溶液中周期运动，运动一周四个柱面能实现可逆剪切流，且柱面上任一点在一个运动周期内经历完全一样的流体力学条件，使溶质供应既充分又均匀，生长速度得以提高，形貌稳定性能得到保证。该方法有利于快速生长高质量的DKDP晶体，为ICF激光装置所需的大尺寸、高质量DKDP晶体生长提供较好的解决方案。
附图说明
图1是本发明DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法所用生长装置的示意图，图中：1-生长槽；2-载晶架连杆；3-载晶架侧杆；4-长籽晶；5-载晶架托盘。
图2和图3是传统转晶法和本发明基于二维运动的DKDP晶体长籽晶生长方法生长长籽晶DKDP晶体时柱面过饱和度均值和标准差在一个运动周期内随时间变化的趋势数值模拟结果对比。其中，溶液的过饱和度维持在5％，针对的晶体尺寸为10mm×10mm×100mm(长×宽×高)，锥高5mm。转晶法最高转速40rpm，采用“4s加速-20s匀速-4s减速-2s静止-4s反向加速-20s匀速-4s减速-2s静止”的1min旋转周期；0.02m/s的二维运动单边采用“单边长度100mm，加速度a＝0.04m/s2，匀速速度V＝0.02m/s”的模式，0.04m/s的二维运动单边采用“单边长度100mm，加速度a＝0.08m/s2，匀速速度V＝0.04m/s”的模式，0.08m/s的二维运动单边采用“单边长度100mm，加速度a＝0.16m/s2，匀速速度V＝0.08m/s”的模式。
DKDP晶体在生长过程中，晶体表面的过饱和度平均值反映了晶体的生长速度，晶体表面的过饱和度平均值越大，晶体的生长速度越快；晶体表面的过饱和度标准差反映了过饱和度分布的均匀性，标准差越小，晶体表面形貌稳定性越好，生长晶体的质量越高。
从图2中可以看出，即使是在匀速速度只有0.02m/s的模式下，二维运动的晶体柱面过饱和度均值已经达到了转晶法最高转速40rpm时的水平，说明二维运动生长方法在生长速度方面具有明显优势，可以轻松超过转晶法生长DKDP晶体的生长速度。
从图3中可以看出，二维运动的晶体柱面过饱和度标准差均比较低，且显著低于转晶法最高转速40rpm时的晶体柱面过饱和度标准差，说明二维运动生长方法生长出来的晶体在晶体质量方面具有明显优势，比转晶法生长的晶体质量要好。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的详细描述，但不能用来限制本发明的范围。
实施例1：
请参见图1，一种DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法，在生长槽上部安装二维运动电机，该二维运动电机的下端与载晶架连杆相连；长籽晶DKDP晶体在生长过程中，二维运动电机带动载晶架在生长槽内的生长溶液中按照正方形的运动轨迹在水平面上沿着“A-B-C-D”的运动轨迹作周期平动，直至晶体生长结束。
所述的载晶架按照正方形的运动轨迹在水平面上作周期平动的正方形运动的单边采用“单边长度50mm，加速度a＝0.01m/s2，匀速速度V＝0.01m/s”的模式，所述的生长槽横截面为正方形。
实施例2：
请参见图1，一种DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法，在生长槽上部安装二维运动电机，该二维运动电机的下端与载晶架连杆相连；长籽晶DKDP晶体在生长过程中，二维运动电机带动载晶架在生长槽内的生长溶液中按照正方形的运动轨迹在水平面上沿着“A-D-C-B”的运动轨迹作周期平动，直至晶体生长结束。
所述的载晶架按照正方形的运动轨迹在水平面上作周期平动的正方形运动的单边采用“单边长度500mm，加速度a＝1m/s2，匀速速度V＝1m/s”的模式，所述的生长槽横截面为正方形。
实施例3：
请参见图1，一种DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法，在生长槽上部安装二维运动电机，该二维运动电机的下端与载晶架连杆相连；长籽晶DKDP晶体在生长过程中，二维运动电机带动载晶架在生长槽内的生长溶液中按照正方形的运动轨迹在水平面上沿着“A-B-C-D”的运动轨迹作周期平动，直至晶体生长结束。
所述的载晶架按照正方形的运动轨迹在水平面上作周期平动的正方形运动的单边采用“单边长度500mm，加速度a＝0.01m/s2，匀速速度V＝0.1m/s”的模式，所述的生长槽横截面为正方形。

Claims (6)

1.一种DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
在生长槽上部安装二维运动电机，该二维运动电机的下端与载晶架连杆相连；
通过二维运动电机带动载晶架在生长槽内的生长溶液中按照正方形的运动轨迹在水平面上作周期平动，直至长籽晶DKDP晶体生长结束。
2.根据权利要求1所述的DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法，其特征在于，所述的载晶架按照正方形的运动轨迹在水平面上作周期平动，具体是指四条边均采用“速度从0以加速度a进行匀加速直线运动-速度达到V后维持匀速直线运动-以加速度a进行匀减速直线运动直至速度降为0”的运动模式。
3.根据权利要求2所述的DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法，其特征在于，所述的正方形运动的单边长度范围为50～500mm。
4.根据权利要求2所述的DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法，其特征在于，所述的匀加速直线运动的加速度a范围为0.01～1m/s2。
5.根据权利要求2所述的DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法，其特征在于，所述的匀减速直线运动的速度V范围为0.01～1m/s。
6.根据权利要求1所述的DKDP晶体长籽晶二维运动生长方法，其特征在于，所述的生长槽横截面为正方形。
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