FR2816330A1

FR2816330A1 - Monocristaux, procede de fabrication de monocristaux par croissance en solution et applications

Info

Publication number: FR2816330A1
Application number: FR0014423A
Authority: FR
Inventors: Vitali Tatartchenko
Original assignee: Saint Gobain Cristaux and Detecteurs SAS
Current assignee: Luxium Solutions SAS
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2002-05-10
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: CN1924114A; RU2280719C2; US20040011278A1; FR2816330B1; AU2002223766A1; WO2002038836A1; CN1924114B; CN1318653C; CN1473211A; US6929693B2

Abstract

L'invention concerne un monocristal (1) quadratique de composition Z (H, D) 2 MO4 , où Z est un élément ou un groupe d'éléments, ou un mélange d'éléments ou de groupe d'éléments choisi parmi le groupe K, N (H, D) 4 , Rb, Ce, où M est un élément choisi parmi le groupe P, As et où (H, D) est de l'hydrogène et/ou du deutérium, comprenant une zone sensiblement parallélépipédique de grande dimension, obtenu par croissance cristalline en solution à partir d'un germe monocristallin sensiblement parallélépipédique (2).Selon l'invention, au moins la dimension d'une arrête du germe est supérieure ou égale au dixième d'une arrête des faces du monocristal et au moins une autre dimension du germe, est inférieure ou égale à un cinquième de la plus grande dimension des arrêtes des faces du germe.L'invention concerne également le procédé qui permet d'obtenir de tels monocristaux quadratiques.De tels monocristaux sont particulièrement intéressants pour obtenir des composants optiques, notamment pour des applications laser.

Description

MONOCRISTAUX, PROCEDE DE FABRICATION DE MONOCRISTAUX PAR
CROISSANCE EN SOLUTION ET APPLICATIONS
L'invention se rapporte au domaine des monocristaux et concerne plus particulièrement des monocristaux quadratiques de grande dimension. Elle concerne également un procédé de croissance permettant d'obtenir lesdits monocristaux et un procédé de fabrication de plaques de monocristaux obtenus à partir des monocristaux fabriqués par la méthode de croissance. Elle concerne également les applications et utilisations desdites plaques de monocristaux notamment comme composant pour l'optique, en particulier comme composant laser.

Les cristaux du type de ceux de l'invention sont notamment développés pour répondre aux demandes des constructeurs de laser de forte puissance qui nécessitent des composants optiques de grande dimension.

En effet, dans le cadre des recherches sur la fusion nucléaire par confinement inertiel, les lasers en projet nécessitent la réalisation de monocristaux de KDP (dihydrogénophosphate de potassium KH2PO4) de grandes dimensions.

Ces cristaux servent soit d'interrupteur optique (sous forme de cellule de Pockels), soit de doubleur ou de tripleur de fréquence de la lumière émise par la source laser. On peut également utiliser des cristaux de phosphate de potassium deutéré ou DKDP.

D'autres compositions de cristaux sont actuellement étudiées.

Les cristaux notamment de KDP, sont produits sous forme de boules dans lesquelles on découpe des pièces en forme de plaques qui seront utilisées ainsi dans les dispositifs concernés. Dans le cas d'une cellule de Pockels, on utilise une plaque coupée perpendiculairement à l'axe z du cristal. Dans le cas d'un multiplicateur de fréquence la plaque est découpée selon une direction bien définie, connue de l'homme du métier. Par exemple pour un doubleur de fréquence on découpe une plaque dont la grande face se situe sur un plan à 41 du plan XY et qui coupe ce plan XY à équidistance de l'origine sur l'axe X et sur l'axe Y, ainsi qu'il apparaît dans la figure 4, pour un tripleur de fréquence, on découpe une plaque dont la grande face se situe à 59"du plan XY et qui coupe ce plan XY sur une ligne parallèle à l'axe X comme il apparaît sur la figure 5.

Les méthodes connues de croissance de monocristaux quadratiques de grande dimension sont décrites, par exemple, dans la publication de Zaitseva et al., Rapid growth of large-scale (40-55 cm) KH2PO4 crystals, Journal of crystals growth 180 (1997) 255-262.

On entend par monocristaux quadratiques de grande taille des monocristaux dont chacune des arrêtes des faces, notées AC1, AC2, AC3, est de dimension supérieure ou égale à 100 mm, notamment supérieure ou égale à 200 mm et même en particulier supérieure ou égale à 500 mm.

Dans la publication ci-dessus des cristaux de ce type sont obtenus par croissance en solution à partir d'un germe point, c'est-à-dire d'un monocristal dont la taille est petite par rapport à la taille du cristal que l'on désire obtenir, notamment avec une taille du germe de l'ordre de 1 cm3. En outre les dimensions des arrêtes du germe sont toutes sensiblement égales. A cette technique, et en utilisant une solution sursaturée telle que décrite dans la publication, il est possible d'obtenir un cristal quadratique d'environ 450 mm de dimension dans les directions X, Y, Z en 30 jours. On nommera par la suite cette méthode méthode de référence .

Cette technique, bien qu'ayant été la première à permettre la fabrication de monocristaux quadratiques de grande taille, présente plusieurs inconvénients.

En effet avec l'augmentation croissante de la puissance des lasers, la taille des composants optiques désirés augmente, et l'on souhaite obtenir maintenant des plaques de composants laser dont deux dimensions sont supérieures à 400 mm. Ceci impose d'obtenir des boules ayant au moins une base de 600 mm de côté et de hauteur suffisamment grande pour extraire les plaques désirées.

On peut penser à augmenter la taille du dispositif dans lequel se développe la croissance des cristaux. Mais cette augmentation de taille se heurte à des problèmes techniques difficiles à résoudre. En effet, comme décrit par la suite, la croissance s'opère en solution contenue dans un cristallisoir, généralement en verre. Or il devient très onéreux d'obtenir des cristallisoirs de grande taille, notamment de plus d'un mètre de diamètre et il est nécessaire d'avoir un très grand volume de solution. Un autre problème technique a trait au fait que pour augmenter la taille des cristaux avec la méthode de référence il faut augmenter le temps de croissance. Cette augmentation du temps de croissance peut conduire à des défauts très dommageables pour le cristaux obtenus. En effet, la probabilité

de développer des cristaux parasites à partir de germes dans la solution ou de surfaces libres du dispositif de croissance pouvant constituer des germes augmente de manière considérable avec le temps de croissance.

En outre le rendement d'extraction défini comme étant le rapport du volume de plaques utiles comme composants optiques rapporté au volume de la boule dans laquelle il sont extraits avec la méthode de référence est généralement faible, souvent de l'ordre de 10 %.

Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients cidessus, notamment en permettant d'augmenter le rendement d'extraction des plaques servant comme composant optique dans une boule, tout en conservant des dispositifs de croissance de taille raisonnable qui permettent notamment de limiter le volume de solution nécessaire à la croissance d'une boule.

Le problème de l'obtention d'une boule monocristalline avec un dispositif de croissance de taille raisonnable de grande dimension dans laquelle on peut extraire un nombre élevé de plaques est résolu par l'utilisation d'un germe de forme et de dimensions particulières.

Un objet de la présente invention est un monocristal quadratique de composition
Z (H, D) 2MO4 où Z est un élément ou un groupe d'éléments, ou un mélange d'éléments et/ou de groupe d'éléments choisi parmi le groupe K, N (H, D) 4, Rb, Ce où M est un élément choisi parmi le groupe P, As et où (H, D) est de l'hydrogène et/ou du deutérium

comprenant une zone sensiblement parallélépipédique de grande dimension, notamment dont la dimension de chacune des arrêtes des faces, AC1, AC2, AC3, est supérieure ou égale à 200 mm, en particulier supérieure ou égale à 500 mm, obtenu par croissance cristalline en solution à partir d'un germe monocristallin sensiblement parallélépipédique, dont les arrêtes des faces sont de dimension AG1, AG2, AG3, où au moins la dimension d'une arrête, AG1, du germe est supérieure ou égale au dixième, de préférence au quart de la dimension d'une arrête des faces du monocristal et où au moins une autre dimension du germe, AG3, soit inférieure ou égale à un cinquième, de préférence à un dixième de la plus grande dimension des arrêtes des faces du germe.

Ce monocristal quadratique peut servir de boule dans laquelle sont découpées des plaques de monocristaux.

Ce monocristal quadratique peut notamment être de composition KH2PO4 (connue sous l'abréviation KDP), K (H, D) 2PO4 (DKDP, c'est-à-dire KDP deutéré), (NH4) H2PO4 (ADP), N (H, D) 4 (H, D) 2PO4 (DADP, ADP deutéré).

II est également possible d'obtenir des cristaux de composition Rb (H, D) PO4 et Ce (H, D) PO4 (deutérés ou non).

Notons que pour certaines applications il est intéressant d'utiliser des substitutions ou des mélanges à partir des éléments ou des groupes d'éléments associés parmi K, N (H, D) 4, Rb, Ce.

Des cristaux de même structure peuvent également être obtenus en remplaçant P par As pour toutes les variantes de composition du cristal citées cidessus.

On peut ainsi définir la famille KDP telle qu'elle est décrite dans l'ouvrage KDP-family Single Crystals de L. N. Rashkovich (Adam Hilger IOP

Publishing Ltd 1991) et notamment telle qu'elle est recensée par exemple dans les publications suivantes : Landott-Bôrnsteing 1984 (Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, New Series vol. 18 - suppl to vo !. t ! !/11-ed K-H He) ! wege and A. M. Hellwege-Berlin : Springer), Eimerl D 1987 (1987a Electro-optic, linear, and nonlinear optical properties of KDP and its isomorphs Ferroelectrics 72 95-130 et 1987b High average power harmonic generation IEEE J. Quantum Electron. QE-23 575-92), Courtens E 1987 (Mixed crystals of the KH2PO4 family Ferroelectrics 72 229-44).

II est connu qu'un cristal quadratique est composé d'une zone sensiblement parallélépipédique et une de ces faces au moins peut être prolongée par une pyramide dont les bords de la base correspond aux arrêtes de ladite face.

Selon une réalisation préférée de l'invention, le germe est un barreau dont les deux dimensions des plus petites arrêtes, AG2, AG3, sont sensiblement égales entre elles et inférieures ou égales à un cinquième, de préférence à un dixième de la dimension de l'arrête la plus grande, AG1, du barreau.

On entend ici et dans la suite du texte par dimensions sensiblement égales , des dimensions qui sont du même ordre de grandeur, notamment dont l'une est au plus le double de l'autre.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le germe est une plaque dont les dimensions des deux plus grandes arrêtes, AG3, AG1, sont sensiblement égales entre elles et supérieures ou égales à cinq fois, de préférence à dix fois la dimension de l'arrête la plus petite, AG2, de la plaque.

Selon une variante avantageuse de l'invention, le germe monocristallin est un monocristal quadratique de composition
Z (H, D) 2MO4 où Z est un élément ou un groupe d'éléments, ou un mélange d'éléments

et/ou de groupe d'éléments choisi parmi le groupe K, N (H, D) 4, Rb, Ce où M est un élément choisi parmi le groupe P, As et où (H, D) est de l'hydrogène et/ou du deutérium.

Selon une réalisation de l'invention, le monocristal quadratique pouvant notamment être utilisé comme boule dans laquelle sont découpées des plaques de monocristaux, et le germe monocristallin ont la même composition chimique.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un monocristal quadratique par croissance en solution à partir d'un germe monocristallin sensiblement parallélépipédique, dont les arrêtes des faces sont de dimension AG1, AG2, AG3, supporté sur une plate-forme plongée dans la solution et mise en rotation, ledit monocristal ayant des vitesses de croissance (Vx, Vy, Vz) du même ordre de grandeur dans les axes principaux cristallographiques (X, Y, Z), notamment où la vitesse de croissance la plus lente est supérieure ou égale au quart, notamment à la moitié de la vitesse de croissance la plus rapide qui comprend au moins les étapes suivantes : - découpe du germe à partir d'un monocristal de manière à ce que au moins une dimension des arrêtes, AG3, du germe est inférieure ou égale à un cinquième, de préférence à un dixième de la plus grande dimension des arrêtes du germe, AG1, et à ce que au moins une dimension des arrêtes du germe soit supérieure ou égale à 25 mm, notamment supérieure ou égale à 50 mm ; - positionnement du germe sur la plate-forme suivant l'orientation désirée ; - introduction dans un cristallisoir comprenant la solution, puis mise en rotation de la plate-forme avec le germe pour procéder à la croissance du monocristal.

Ce procédé de fabrication permet d'obtenir des monocristaux de grande dimension qui peuvent servir de boules dans lesquels sont découpées des plaques de monocristaux.

Le germe monocristallin peut être découpé par exemple soit dans un monocristal obtenu selon une méthode connue de pousse, soit dans un monocristal que l'on a fait pousser précédemment selon la méthode ci-dessus.

Il est connu de l'homme du métier que les caractéristiques d'un cristal quadratique sont définies par les axes cristallographiques X, Y, Z. On nomme Vx,

Vy, Vz la vitesse de croissance des faces de ce cristal selon, respectivement, l'axe X, Y, Z.

Selon un mode préféré de réalisation le germe est disposé de manière à ce que les axes de croissance X, Y, Z coïncident avec celui des arrêtes du germe.

Selon une variante préférée de l'invention, le germe utilisé dans le procédé ci-dessous, est un barreau dont les dimensions de deux arrêtes les plus petites, AG2, AG3, sont sensiblement égales entre elles et inférieures ou égales à un cinquième, de préférence à un dixième de la dimension de l'arrête la plus grande, AG1, du barreau.

On obtient alors un monocristal, pouvant servir de boule, dont au moins deux dimensions sont sensiblement égales.

Selon une autre variante du procédé selon l'invention, le germe est une plaque dont les dimensions des deux plus grandes arrêtes, AG3, AG1, sont sensiblement égales entre elles et supérieures ou égales à cinq fois, de préférence à dix fois la dimension de l'arrête la plus petite, AG2, de la plaque.

On obtient alors un monocristal, pouvant servir de boule dont au moins une dimension est inférieure aux deux autres.

Ces deux dernières variantes sont citées à titre d'exemples de réalisation préférés, mais ne sauraient exclure des variantes où le germe aurait une configuration intermédiaire entre un barreau et une plaque.

Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, le germe monocristallin est un monocristal quadratique de composition
Z (H, D) 2MO4 où Z est un élément ou un groupe d'éléments, ou un mélange d'éléments et/ou de groupe d'éléments choisi parmi le groupe K, N (H, D) 4, Rb, Ce où M est un élément choisi parmi le groupe P, As

et où (H, D) est de)'hydrogène et/ou du deutérium.

Selon une réalisation du procédé selon l'invention, le monocristal quadratique obtenu par croissance en solution a la même composition chimique que le germe monocristallin.

Selon une variante avantageuse du procédé selon l'invention, la solution est sursaturée, notamment avec une sursaturation cr comprise entre 0, 1 % et 20%.

La notion de sursaturation est connue de l'homme du métier et définie, par exemple dans l'article de Zaitseva et al. mentionné ci-dessus, comme :

où C correspond à la concentration de la solution

et Co à la concentration d'équilibre de la solution.

On note que le domaine préféré de sursaturation peut se décomposer en deux sous-domaines particulièrement avantageux : d'une part, un domaine de faible sursaturation, notamment pour o compris entre 0,1 et 0,5 % qui conduit à une pousse lente de cristaux et permet d'obtenir des cristaux dont la qualité optique est remarquable,

d'autre part, un domaine de forte sursaturation, notamment pour a compris entre 1 et 20 % et permet d'obtenir des vitesses de croissance élevées.

Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, le monocristal obtenu est de composition

Z (H, D) 2MO4 où Z est un élément ou un groupe d'éléments, ou un mélange d'éléments et/ou de groupe d'éléments choisi parmi le groupe K, N (H, D) 4, Rb, Ce où M est un élément choisi parmi le groupe P, As et où (H, D) est de l'hydrogène et/ou du deutérium.

On note qu'il peut être avantageux d'utiliser un germe d'une composition différente de celle du monocristal que l'on souhaite obtenir.

On peut par exemple utiliser un germe de KDP pour faire croître un cristal de DKDP.

D'autres configurations sont possibles tant que la comptabilité chimique et cristallographique entre le germe et le cristal est maintenue.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'au moins un monocristal quadratique où l'on utilise un monocristal obtenu avec le procédé décrit ci-dessus, appelé boule, et où on découpe au moins une plaque de monocristal dans une zone suffisamment distante du germe et de la zone de régénération pour obtenir des propriétés optiques permettant l'utilisation de la (ou des) plaque (s) comme composant laser.

On appelle zone de régénération , ja zone autour du germe correspondant à une première phase de croissance du cristal à partir du germe, notamment à la pyramide qui se forme sur la face perpendiculaire à l'axe Z du germe, et à une zone que l'on peut estimer en général à 20 % de la plus petite dimension du germe, située en continuité avec les faces du germe.

Les plaques de cristaux ainsi obtenues présentent d'excellentes qualités optiques, et peuvent notamment être utilisées pour des applications laser, notamment comme cellules de Pockels, ou comme doubleur de fréquence, ou comme tripleur de fréquence suivant l'orientation de la découpe effectuée dans la boule.

D'autres détails et caractéristiques avantageux de l'invention ressortiront ciaprès, de la description d'exemples de réalisation de l'invention en référence aux figures annexées qui représentent : - figure 1 : vue en perspective d'un monocristal selon l'invention obtenu à partir d'un germe de barreau ; - figure 2 : vue en perspective d'un monocristal selon l'invention obtenu à partir d'un germe plaque ; - figure 3 : vue en coupe d'un dispositif adapté à la méthode de croissance d'un monocristal selon l'invention ;

- figure 4 : vue d'un monocristal selon l'invention et de la zone où l'on peut découper un monocristal utilisable comme doubleur de fréquence : figure 4.1 : vue en coupe figure 4.2 : vue de dessus - figure 5 : vue d'un monocristal selon l'invention et de la zone où l'on peut découper un monocristal utilisable comme tripteurde fréquence : figure 5.1 : vue en coupe figure 5.2 : vue de dessus.

La figure 1 représente une vue en perspective d'un monocristal selon l'invention. Le monocristal 1 est composé d'un parallélépipède dont les arrêtes des faces ont comme dimensions AC1, AC2, AC3, surmonté d'une pyramide 4.

On a représenté le germe 2 à partir duquel le monocristal 1 a poussé. Ce germe 2 est représenté en traits pleins pour faciliter la lecture du dessin, bien qu'il se situe au coeur du monocristal 1, avec une face inférieure sur le même plan que la face inférieure du monocristal 1. Ce germe 2 est un parallélépipède dont deux arrêtes AG2 et AG3 sont de dimension très inférieure à celle de l'arrête AG1.

Selon l'invention AG2 et AG3 sont inférieures ou égales au cinquième, voire au dixième de AG1. On parle alors de germe barreau .

On note que pour les cristaux selon l'invention il est généralement possible d'observer visuellement la présence et la dimension du germe 2 dans le cristal 1 que l'on a fait pousser. En effet les cristaux de la famille de compositions Z (H, D) 2MO4, tel que défini ci-dessus, sont transparents dans le domaine du visible et/ou de l'ultraviolet et/ou de l'infrarouge et il existe les légers défauts optiques en bordure des faces du germe 2 dans le cristal 1 qui permettent de caractériser sans ambiguïté le germe 2 à partir duquel le cristal a poussé.

La figure 2 représente une vue en perspective d'un autre monocristal selon l'invention. Les considérations faites ci-dessus pour la figure 1 s'appliquent également à la figure 2. La différence entre le cristal de la figure 1 et celui de la figure 2 porte sur la forme du germe utilisé. Le germe 22 de la figure 2 est un parallélépipède dont les arrêtes AG1 et AG3 sont de grande dimension par rapport à la dimension de l'arrête AG2. On parle alors de germe plaque . Selon l'invention les deux plus grandes arrêtes AG1 et AG3 ont une dimension supérieure ou égale à cinq fois, voire dix fois celle de l'arrête AG3. Le monocristal 11 obtenu à partir de ce germe 22 comprend un parallélépipède dont la dimension de l'arrête AC3 est très supérieure à celle de l'arrête AC2.

La figure 3 représente la coupe d'un dispositif adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Ce dispositif comprend un cristallisoir 70 dans lequel

on peut introduire une solution 60. Une plate-forme 50 est utilisée, dont la dimension est généralement légèrement supérieure à celle du monocristal 1,11 que l'on souhaite obtenir. Cette plate-forme 50 est introduite dans la solution 60 et mise en rotation pendant le processus de croissance. On dispose un germe 2,22 sur la partie inférieure de la plate-forme. Ce germe 2,22, ici représenté en coupe,

peut notamment avoir la forme d'un barreau ou d'une plaque comme défini cidessus.

En général le germe 2,22 est disposé de manière à ce que ses arrêtes correspondent aux axes cristallographiques X, Y, Z. Dans le cas représenté sur la figure 3 le germe 2,22 est disposé de manière à ce que une de ces grandes dimensions soit le long de l'axe Z, et une de ses petites dimensions le long de l'axe X. Cette disposition n'est nullement limitative et l'on peut, en fonction des cristaux que l'on souhaite obtenir, disposer par exemple une grande dimension du germe 2,22 selon l'axe X ou l'axe Y.

Cette disposition est particulièrement avantageuse car elle permet d'obtenir des cristaux de grande dimension rapidement. En effet, les cristaux selon l'invention ont une vitesse de croissance Vx, Vy, Vz du même ordre de grandeur selon les axes cristallographiques X, Y, Z.

Considérons une vitesse de croissance moyenne V et comparons les résultats obtenus avec ceux obtenus à partir d'un germe point traditionnel. Un germe point est un parallélépipède dont chaque arrête est sensiblement de même dimension, et qui correspond, par exemple, sensiblement à la dimension AG3 représentée sur la figure 3.

Dans ces conditions, au bout d'un temps t, on obtient avec un germe point un cristal dont la dimension de chacune des arrêtes de la base en contact avec la plate-forme 50 est de AG3 + 2 Vt et dont la hauteur totale est AG3 + Vt.

Avec le procédé selon l'invention on obtient au bout du même temps t un cristal dont les arrêtes de la base en contact avec la plate-forme 50 sont de AG3 + 2 Vt et AG2 + 2 Vt et la hauteur est de AG1 + Vt.

On obtient ainsi un cristal dont la hauteur est significativement plus grande avec le procédé selon l'invention qu'avec le procédé traditionnel à partir d'un germe point. De même on peut obtenir une dimension d'une arrête de la base de grande dimension si on choisit d'utiliser un germe plaque.

Il est ainsi possible d'obtenir des cristaux dont la géométrie permet de découper un nombre de plaques pour composants optiques beaucoup plus élevé qu'avec la méthode de référence, en considérant une croissance de monocristaux effectuée avec un dispositif équivalent et dans les mêmes conditions de croissance.

Dans certains cas, comme l'illustrent les exemples qui suivent, il est possible d'obtenir au moins dix fois plus de plaques dans un cristal selon l'invention que dans un cristal obtenu selon la méthode de référence.

Le rendement d'extraction se trouve considérablement augmenté, notamment d'un facteur au moins trois.

Des économies substantielles de coût de fabrication en résultent.

Il faut noter que la vitesse de croissance du cristal peut être réglée en jouant sur le paramètre de sursaturation a de la solution 60. Plus celui-ci est élevé, plus la croissance est rapide.

A partir des cristaux obtenus on peut découper des plaques monocristallines utilisables comme composants optiques.

Cette découpe s'effectue dans le volume du cristal 1,11, hors du volume du germe 2,22 et hors d'une zone de régénération 3 qui se situe en proximité immédiate des faces du germe 2,22.

La figure 4 représente un monocristal 1 selon l'invention dans lequel on montre la zone permettant de découper une plaque monocristalline 100 utilisable comme doubleur de fréquence.

Dans le cas représenté on a utilisé un germe barreau 2 pour faire pousser le cristal 1. D'autres germes, tels que définis selon l'invention, peuvent également être utilisés.

La figure 4.1 représente une coupe du monocristal 1 où l'on voit apparaître le germe 2 entouré de la zone de régénération 3. La figure 4.2 représente une vue de dessus où la plaque est figurée en traits pleins pour faciliter la compréhension

de la figure, avec son arrête cachée en trait discontinu. Pour obtenir une plaque 100, utilisable comme doubleur de fréquence, on procède à une découpe selon un plan à 41 du plan XY et qui coupe le plan XY à équidistance de l'origine sur l'axe X et sur l'axe Y. On obtient ainsi une plaque 100 de dimension a, b, c.

La figure 5 représente un monocristal 1 selon l'invention dans lequel on peut découper une plaque 200 utilisable comme tripleur de fréquence. Les considérations et conditions non limitatives faites au sujet de la figure 4 s'appliquent à la figure 5. Pour obtenir une plaque 200, utilisable comme tripleur de fréquence, on procède à une découpe selon un plan à 59'du plan XY et qui coupe ce plan XY sur une ligne parallèle à l'axe X.

Afin d'illustrer les avantages des cristaux et des procédés selon l'invention, un exemple comparatif est décrit.

On compare les cristaux obtenus dans des conditions de croissance identiques, même dispositif et même solution, selon la méthode de référence et selon les enseignements de l'invention.

On utilise un dispositif comprenant un cristallisoir en verre de un mètre de diamètre et une plate-forme de 850 mm de diamètre.

Comme mentionné précédemment ces éléments de dispositif ont une dimension au-delà de laquelle il est possible d'aller, mais qui conduirait à des surcoûts très importants.

Avec une telle plate-forme on peut obtenir des cristaux de base carrée d'au plus 600 mm de côté.

On utilise une solution sursaturée de KDP qui conduit aux vitesses de croissance suivantes : Vvertlcale = Vz = 9 mm/jour Vhonzonta ! e = Vx = Vy = 6 mm/jour.

Les vitesses de croissance peuvent varier d'environ 10 %.

L'exemple EX1, selon la méthode de référence, est celui d'un cristal obtenu à partir d'un germe point de 10 x 10 x 10 mm3.

L'exemple EX2, selon l'invention, est celui d'un cristal obtenu à partir d'un germe barreau de 10 x 10 x 150 mm3, disposé avec sa plus petite face en contact avec la plate-forme.

Dans ces conditions la vitesse de croissance horizontale des deux cristaux est identique et la taille maximale est atteinte au bout de 50 jours.

Au bout de ce temps le cristal EX1 a une hauteur de 450 mm et le cristal EX2 a une hauteur de 600 mm.

Cette différence est extrêmement importante car cette différence de hauteur permet d'extraire beaucoup plus de cristaux utiles avec EX2 qu'avec EX1.

En effet dans le cas pratique du projet français du laser de puissance MEGAJOULE, il faut obtenir des doubleurs de fréquence d'au moins a = 405 mm, b = 420 mm, c = 12 mm. A partir de cristaux obtenus selon EX1 et tenant compte des variations dimensionnelles, on est capable d'extraire une telle plaque de doubleur de fréquence sur seulement environ un cristal EX1 sur trois. Il faut donc

en moyenne 150 jours pour obtenir une telle plaque de doubleur de fréquence selon la méthode de référence.

A partir d'un cristal obtenu selon EX2 on peut extraire entre 5 et 7 plaques de doubleurs de fréquence définis ci-dessus. On peut ainsi obtenir selon l'invention au moins 15 plaques de doubleurs dans les délais de 150 jours nécessaires pour obtenir une seule plaque selon la méthode de référence.

Une comparaison équivalente peut être développée pour l'obtention de plaques de tripleurs de fréquence de la même taille que les doubleurs de fréquence ci-dessus.

On note que grâce à l'enseignement de l'invention on peut obtenir un nombre de plaques de composants élevé alors qu'on a conservé les dimensions raisonnables du dispositif de croissance, et que cette très grande augmentation du nombre de plaques issue d'une boule est obtenue pour une augmentation modérée de la hauteur de la boule (environ un tiers d'augmentation de hauteur).

On obtient ainsi des économies de matière très avantageuses, car on exploite au mieux environ 10 % du volume de la boule avec la méthode de référence, alors qu'on peut exploiter plus de 30 % du volume de la boule avec la méthode selon l'invention.

La comparaison entre ces exemples met clairement en évidence l'augmentation considérable de volume utile à la découpe de plaques que permet l'invention, et donc une augmentation équivalente du rendement de production de plaque utilisable comme composant optique.

L'invention ne se limite pas à ces types particuliers de réalisation et doit être interprétée de façon non limitative et englobant tout monocristal quadratique de composition
Z (H, D) 2MO4, où Z est un élément ou un groupe d'éléments, ou un mélange d'éléments et/ou de groupe d'éléments choisi parmi le groupe K, N (H, D) 4, Rb, Ce où M est un élément choisi parmi le groupe P, As et où (H, D) est de l'hydrogène et/ou du deutérium

comprenant une zone sensiblement parallélépipédique de grande dimension, notamment dont la dimension de chacune des arrêtes des faces, AC1, AC2, AC3, est supérieure ou égale à 200 mm, en particulier supérieure ou égale à 500 mm, obtenu par croissance cristalline en solution à partir d'un germe

monocristallin sensiblement parallélépipédique (2, 22), dont les arrêtes des faces sont de dimension AG1, AG2, AG3, caractérisé en ce que au moins la dimension d'une arrête, AG1, du germe est supérieure ou égale au dixième, de préférence au quart de la dimension d'une arrête des faces du monocristal et en ce que au moins une autre dimension du germe, AG3, soit inférieure ou égale à un cinquième, de préférence à un dixième de la plus grande dimension des arrêtes des faces du germe.

L'invention concerne également le procédé de croissance qui permet d'obtenir de tels cristaux, mais peut être utilisée de manière non limitative pour la croissance de tout monocristal quadratique dont les vitesses de croissance sont du même ordre de grandeur dans les axes cristallographiques principaux.

Les cristaux préférés sont ceux de la famille KDP .

Claims

cinquième, de préférence à un dixième de la plus grande dimension des arrêtes des faces du germe.

comprenant une zone sensiblement parallélépipédique de grande dimension, notamment dont la dimension de chacune des arrêtes des faces, AC1, AC2, AC3, est supérieure ou égale à 200 mm, en particulier supérieure ou égale à 500 mm, obtenu par croissance cristalline en solution à partir d'un germe monocristallin sensiblement parallélépipédique (2,22), dont les arrêtes des faces sont de dimension AG1, AG2, AG3, caractérisé en ce que au moins la dimension d'une arrête, AG1, du germe est supérieure ou égale au dixième, de préférence au quart de la dimension d'une arrête des faces du monocristal et en ce que au moins une autre dimension du germe, AG3, soit inférieure ou égale à un

Z (H, D) 2MO4, où Z est un élément ou un groupe d'éléments, ou un mélange d'éléments et/ou de groupe d'éléments choisi parmi le groupe K, N (H, D) 4, Rb, Ce où M est un élément choisi parmi le groupe P, As et où (H, D) est de l'hydrogène et/ou du deutérium

REVENDICATIONS 1. Monocristal (1, 11) quadratique de composition
2. Monocristal (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que le germe est un barreau (2) dont les deux dimensions des plus petites arrêtes, AG2, AG3, sont sensiblement égales entre elles et inférieures ou égales à un cinquième, de préférence à un dixième de la dimension de l'arrête la plus grande, AG1, du barreau.
3. Monocristal (11) selon la revendication 1 caractérisé en ce que le germe est une plaque (22) dont les dimensions des deux plus grandes arrêtes, AG3, AG1, sont sensiblement égales entre elles et supérieures ou égales à cinq fois, de préférence à dix fois la dimension de l'arrête la plus petite, AG2, de la plaque.
4. Monocristal (1,11) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le germe monocristallin (2,22) est un monocristal quadratique de composition

Z (H, D) 2MO4 où Z est un élément ou un groupe d'éléments, ou un mélange d'éléments et/ou de groupe d'éléments choisi parmi le groupe K, N (H, D) 4, Rb, Ce

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où M est un élément choisi parmi le groupe P, As et où (H, D) est de l'hydrogène et/ou du deutérium.
5. Monocristal (1,11) selon la revendication 4 caractérisé en ce que le monocristal (1,11) et le germe monocristallin (2,22) ont la même composition chimique.
6. Procédé de fabrication d'un monocristal quadratique (1,11) par croissance en solution à partir d'un germe monocristallin sensiblement parallélépipédique (2,22), dont les arrêtes des faces sont de dimension AG1, AG2, AG3, supporté sur une plate-forme (50) plongée dans la solution (60) et mise en rotation, ledit monocristal (1,11) ayant des vitesses de croissance (Vx, Vy, Vz) du même ordre de grandeur dans les axes principaux cristallographiques (X, Y, Z), notamment où la vitesse de croissance la plus lente est supérieure ou égale au quart, notamment à la moitié de la vitesse de croissance la plus rapide caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes : - découpe du germe à partir d'un monocristal de manière à ce que au moins une dimension des arrêtes, AG3, du germe est inférieure ou égale à un cinquième, de préférence à un dixième de la plus grande dimension des arrêtes du germe, AG1, et à ce que au moins une dimension des arrêtes du germe soit supérieure ou égale à 25 mm, notamment supérieure ou égale à 50 mm ; - positionnement du germe sur la plate-forme (50) suivant l'orientation désirée ; - introduction dans un cristallisoir (70) comprenant la solution (60), puis mise en rotation de la plate-forme (50) avec le germe (2,22) pour procéder à la croissance du monocristal (1,11).
7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que le germe est un barreau (2) dont les dimensions de deux arrêtes les plus petites, AG2, AG3, sont sensiblement égales entre elles et inférieures ou égales à un cinquième, de préférence à un dixième de la dimension de l'arrête la plus grande, AG1, du barreau.
8. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que le germe est une plaque (22) dont les dimensions des deux plus grandes arrêtes, AG3, AG1, sont sensiblement égales entre elles et supérieures ou égales à cinq fois, de

préférence à dix fois la dimension de l'arrête la plus petite, AG2, de la plaque.

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9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le germe monocristallin (2, 22) est un monocristal quadratique de composition

Z (H, D) 2MO4 où Z est un élément ou un groupe d'éléments, ou un mélange d'éléments et/ou de groupe d'éléments choisi parmi le groupe K, N (H, D) 4, Rb, Ce où M est un élément choisi parmi le groupe P, As et où (H, D) est de l'hydrogène et/ou du deutérium.
10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9 caractérisé en ce que le monocristal quadratique (1,11) obtenu par croissance en solution a la même composition chimique que le germe monocristallin (2,22).
11. Procédé selon l'une des revendications 6 à 10 caractérisé en ce que la solution est sursaturée, notamment avec une sursaturation a comprise entre 0,1 % et20%.
12. Procédé selon l'une des revendications 6 à 11 caractérisé en ce que le monocristal (1,11) obtenu est de composition

Z (H, D) 2MO4 où Z est un élément ou un groupe d'éléments, ou un mélange d'éléments et/ou de groupe d'éléments choisi parmi le groupe K, N (H, D) 4, Rb, Ce où M est un élément choisi parmi le groupe P, As et où (H, D) est de l'hydrogène et/ou du deutérium.
13. Procédé de fabrication d'au moins un monocristal quadratique (100, 200) caractérisé en ce qu'on utilise un monocristal (1,11) obtenu avec le procédé selon une des revendications 6 à 12, et en ce que on découpe au moins une plaque de monocristal (100,200) dans une zone suffisamment distante du germe (2,22) et de la zone de regénération (3) pour obtenir des propriétés optiques permettant l'utilisation de la (ou des) plaque (s) (100,200) comme composant laser
14. Utilisation d'une plaque monocristalline obtenue par le procédé de la revendication 13 comme cellule de Pockels.
15. Utilisation d'une plaque monocristalline (100) obtenue par le procédé de la revendication 13 comme doubleur de fréquence.
16. Utilisation d'une plaque monocristalline (200) obtenue par le procédé de la revendication 13 comme tripleur de fréquence.