JP7208371B2 - Kdp系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法 - Google Patents

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Description

本発明は、KDP系結晶に関し、具体的には、KDP系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法に関し、切断効率が高く、成長応力が小さいKDP系結晶を迅速に成長させることを目的とする。
リン酸二水素カリウム/リン酸二重水素カリウム(KDP/DKDP)結晶材料はその大きな非線形光学係数、広い透過波長帯域、優れた光学均一性などの利点により、逓倍及び電気光学デバイスの作製に広く応用されている。各国のレーザー慣性拘束核融合(ICF)装置は、大量の高品質、大口径のKDP系結晶を必要とする。そのうち、光スイッチ及び2逓倍素子としてKDP系結晶を用い、3逓倍素子としてDKDP結晶を用いる。しかし、従来技術によって成長したKDP系結晶は主に結晶品質が悪く、アスペクト比が低いなどの欠陥が存在し、しかもKDP系結晶のスライス率が低く、柱錐境界面を持ちやすく、しかも結晶の柱錐境界面部分の品質が悪く、結晶の全体的な品質を制限する短所である。出願番号CN201210102338.9、特許文献1の発明特許には、大断面KDP系結晶成長用の結晶キャリア及び成長法を紹介している。この発明により提供された結晶キャリアでは、上部、下部水平板は両方とも板状構造であり、結晶成長回転プロセスにおいて成長液に対する外乱が大きく、結晶品質の低下をもたらし、この発明は種結晶を上部水平板の下面又は下部水平板の上面の中央に固定するが、結晶成長中に回転させるだけであり、撹拌効果がなく、結晶成長が不均一になり、そして、結晶が成長して別の水平板に接触すると、結晶と水平板との衝突接触が起こり、ヘテロ結晶が成長する。出願番号CN201710987729.6、特許文献2の発明特許には、KDP系結晶の長種結晶の成長を制限する方法を紹介しており、この発明は成長プロセスにおいて種結晶の成長の上下が全て突っ張るため、その成長応力が大きくなり、成長困難をもたらし、しかも必要とされる種結晶の高さが大きくなり、成長圧力が増大する。
中国特許出願公開第103361712号明細書 中国特許出願公開第107805844号明細書
本発明は、従来のKDP系結晶の成長に存在する上記の問題点を解消するために、KDP系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法(PYRAMIDAL GROWTH METHOD)を提供する。該方法は、低い成長応力の下で、KDP系結晶を迅速に成長させるのに有利であり、成長プロセスで自由に錐型に成長する上端を除いて、全ての成長面は柱面であり、かつ各面の成長環境は非常に類似しており、より高い光学均一性を備えており、また、柱面から柱錐境界面を含まないKDP系結晶素子を切断することができ、本発明によって提供される方法により得られたKDP系結晶を用いて3逓倍素子を切断する際にまた非常に高い切断効率を有する。
本発明の技術的解決手段は次のとおりである。
KDP系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法は、
結晶成長用の成長槽を作製し、前記成長槽の上部にモータを取り付け、該モータの回転軸の下端を結晶キャリアの接続棒に接続するステップ1)と、
結晶成長用の結晶キャリアを作製し、前記結晶キャリアには、上部ビームと、下部トレイと、接続棒と、支持側棒と、2つのブレード状撹拌パドルとが含まれ、前記接続棒は上部ビームの真ん中に固定され、前記支持側棒の下端は下部トレイの同一直径の両端に固定され、前記支持側棒の上端は上部ビームの両端に固定され、前記ブレード状撹拌パドルは支持側棒に固定されたブレード状構造であり、前記2つのブレード状撹拌パドル、支持側棒及び上部ビームは同じ鉛直面上にあり、前記下部トレイの上面の真ん中は長種結晶の固定位置であり、全ての接続箇所はスムーズに連結されて滑らかさを確保するステップ2)と、
高さ方向が[001]方向の長種結晶を作製し、前記長種結晶の高さは前記結晶キャリアの支持側棒の高さよりも低く、前記長種結晶の水平方向の長さ及び幅の範囲は5~15mmであるステップ3)と、
前記長種結晶の下端面にAB接着剤を塗布し、前記結晶キャリアの下部トレイの上面の真ん中に取り付けるステップ4)と、
飽和点40~70℃の結晶成長液を調製するステップ5)と、
長種結晶を取り付けた結晶キャリアをオーブンに入れて4~12時間予熱し、予熱温度は前記成長液の飽和点温度であるステップ6)と、
予熱が完了したら、長種結晶を取り付けた結晶キャリアを調製した前記成長液に入れ、前記結晶キャリアの接続棒を前記モータの回転軸に接続し、モータを起動し、回転速度を10~50rpmの範囲に設定し、回転モードは正転25s-減速2s-停止1s-逆方向加速2s-逆転25s-減速2s-停止1s-順方向加速2sの周期を採用し、ここでsは秒であるステップ7)と、
前記成長液を飽和点温度よりも5~15℃高い温度に加熱して過熱処理し、前記長種結晶を溶断せずに前記長種結晶の4つの側面を全て溶解させた後、前記成長液の過飽和度が常に5~15%になるように温度を下げ、結晶が前記長種結晶上でピラミッド型成長を開始し、次にKDP系結晶が得られるステップ8)と、を含む。
さらに、前記KDP系結晶はKDP結晶又はDKDP結晶である。
上記のステップ2)において、前記上部ビームは滑らかなエッジを有するスラットであり、前記接続棒は中空の丸棒であり、前記下部トレイは丸板である。
上記のステップ2)において、前記固定方式は溶接である。
本発明の技術的効果は次のとおりである。
本発明により提供されるKDP系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法は、長種結晶の下端が下部トレイにより制限され、上端が自由にピラミッド型に成長し、同時に[100]及び[010]の2方向の4つの柱面が成長でき、結晶成長プロセスで成長応力の問題がなく、全ての切断された光学素子は非常に高い光学品質を備える。成長プロセスは非常に類似した成長環境を持つ4つの柱面の同時成長であり、結晶成長プロセスでブレード状撹拌パドルによって撹拌されるため、切断された光学素子はいずれも非常に高い光学均一性を備える。KDP系結晶の3逓倍素子の切断角度の独特性により、本発明で成長した結晶を用いて3逓倍素子を切断する際の切断効率が非常に高く、さらに、成長した結晶の水平寸法の大きさからも切断可能な最大の3逓倍素子の面積を事前に知ることができる。
本発明のKDP系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法に用いる成長槽及び結晶キャリアの組立模式図である。 本発明のKDP系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法に用いる結晶キャリアの模式図である。 本発明のKDP系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法に用いるブレード状撹拌パドルと支持側棒の組立概略図及びその正面図、右側面図、左側面図及び上面図である。 本発明のKDP系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法により成長したKDP系結晶を用いて複数枚の3逓倍素子を切断する模式図である。
以下では、本発明を、添付の図面と組み合わせて実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明の範囲を限定するために使用することはできない。
[実施例1:KDP結晶の長種結晶のピラミッド型成長]
KDP結晶の長種結晶のピラミッド型成長は、以下のステップを含む。
ステップ1)
結晶成長用の成長槽1を作製し、前記成長槽1の上部にモータ5を取り付け、該モータ5の回転軸4の下端を結晶キャリア3の接続棒6に接続する。
ステップ2)
結晶成長用の結晶キャリア3を作製する。ここで、前記結晶キャリア3には、上部ビーム7と、下部トレイ12と、接続棒6と、支持側棒8、9と、2つのブレード状撹拌パドル10、11とが含まれ、前記上部ビーム7は滑らかなエッジを有するスラットであり、前記接続棒6は上部ビーム7の真ん中に固定された中空の丸棒であり、前記下部トレイ12は丸板であり、前記支持側棒8、9の下端は下部トレイ12の同一直径の両端に溶接され、前記支持側棒8、9の上端は上部ビーム7の両端に溶接され、前記ブレード状撹拌パドル10、11は支持側棒8、9に溶接されたブレード状構造であり、前記2つのブレード状撹拌パドル10、11、支持側棒8、9及び上部ビーム7は同じ鉛直面上にあり、前記下部トレイ12の上面の真ん中は種結晶の固定位置であり、全ての接続箇所はスムーズに連結されて滑らかさを確保する。
ステップ3)
高さ方向が[001]のKDP長種結晶13を作製する。ここで、前記KDP長種結晶13の高さは前記結晶キャリア3の支持側棒8、9の高さよりも低く、前記KDP長種結晶13の水平方向の長さ及び幅は5mmである。
ステップ4)
前記KDP長種結晶13の下端面にAB接着剤を塗布し、前記結晶キャリア3の下部トレイ12の上面の中心に取り付ける。
ステップ5)
飽和点が40℃のKDP結晶成長液2を調製する。
ステップ6)
KDP長種結晶13を取り付けた結晶キャリア3をオーブンに入れて40℃の予熱温度で7時間予熱する。
ステップ7)
予熱が完了したら、KDP長種結晶13を取り付けた結晶キャリア3を調製したKDP成長液2に入れ、前記結晶キャリア3の接続棒6を前記モータ5の回転軸4に接続し、モータ5を起動し、回転速度を30rpmに設定する。ここで、回転モードは正転25s-減速2s-停止1s-逆方向加速2s-逆転25s-減速2s-停止1s-順方向加速2sの周期を採用する。ここでsは秒である。
ステップ8)
前記KDP成長液2を50℃に加熱して過熱処理し、該KDP長種結晶13を溶断せずに前記KDP長種結晶13の4つの側面を全て溶解させた後、前記KDP成長液2の過飽和度が常に15%になるように温度を下げ、KDP結晶が前記KDP長種結晶13上でピラミッド型成長を開始し、次にKDP結晶14を得る。
特に、3逓倍素子15を切断する場合には、KDP結晶14の整合角は60°であり、方位角は0°又は90°であるので、成長したKDP結晶14を2つに分割した各部分は、[100]方向に沿って、且つ[001]方向に対して30°の角度でほぼ正方形の3逓倍素子15を切断することができ、切断効率が非常に高く、そして、これらの切り出されたほぼ正方形の3逓倍素子15の大きさは、成長したKDP結晶14の水平断面の大きさにほぼ等しい。
[実施例2:重水素化率30%のDKDP結晶の長種結晶のピラミッド型成長]
重水素化率30%のDKDP結晶の長種結晶のピラミッド型成長は、以下のステップを含む。
ステップ1)
結晶成長用の成長槽1を作製し、前記成長槽1の上部にモータ5を取り付け、該モータ5の回転軸4の下端を結晶キャリア3の接続棒6に接続する。
ステップ2)
結晶成長用の結晶キャリア3を作製する。ここで、前記結晶キャリア3には、上部ビーム7と、下部トレイ12と、接続棒6と、支持側棒8、9と、2つのブレード状撹拌パドル10、11とが含まれ、前記上部ビーム7は滑らかなエッジを有するスラットであり、前記接続棒6は上部ビーム7の真ん中に固定された中空の丸棒であり、前記下部トレイ12は丸板であり、前記支持側棒8、9の下端は下部トレイ12の同一直径の両端に溶接され、前記支持側棒8、9の上端は上部ビーム7の両端に溶接され、前記ブレード状撹拌パドル10、11は支持側棒8、9に溶接されたブレード状構造であり、前記2つのブレード状撹拌パドル10、11、支持側棒8、9及び上部ビーム7は同じ鉛直面上にあり、前記下部トレイ12の上面の真ん中は種結晶の固定位置であり、全ての接続箇所はスムーズに連結されて滑らかさを確保する。
ステップ3)
高さ方向が[001]方向のDKDP長種結晶13を作製する。ここで、前記DKDP長種結晶13の高さは前記結晶キャリア3の支持側棒8、9の高さよりも低く、前記DKDP長種結晶13の水平方向の長さ及び幅は10mmである。
ステップ4)
前記DKDP長種結晶13の下端面にAB接着剤を塗布し、前記結晶キャリア3の下部トレイ12の上面の中心に取り付ける。
ステップ5)
飽和点が55℃のDKDP結晶成長液2を調製する。
ステップ6)
DKDP長種結晶13を取り付けた結晶キャリア3をオーブンに入れて55℃の予熱温度で4時間予熱する。
ステップ7)
予熱が完了したら、DKDP長種結晶13を取り付けた結晶キャリア3を調製したDKDP成長液2に入れ、前記結晶キャリア3の接続棒6を前記モータ5の回転軸4に接続し、モータ5を起動し、回転速度を10rpmに設定する。ここで、回転モードは正転25s-減速2s-停止1s-逆方向加速2s-逆転25s-減速2s-停止1s-順方向加速2sの周期を採用する。ここでsは秒である。
ステップ8)
前記DKDP成長液2を60℃に加熱して過熱処理し、該DKDP長種結晶13を溶断せずに前記DKDP長種結晶13の4つの側面を全て溶解させた後、前記DKDP成長液2の過飽和度が常に5%になるように温度を下げ、DKDP結晶が前記DKDP長種結晶13上でピラミッド型成長を開始し、次にDKDP結晶14を得る。
特に、3逓倍素子15を切断する場合には、DKDP結晶14の整合角は59°5′であり、方位角は0°又は90°であるので、成長したDKDP結晶14を2つに分割した各部分は、[100]方向に沿って、且つ[001]方向に対して30°5′の角度でほぼ正方形の3逓倍素子15を切断することができ、切断効率が非常に高く、そして、これらの切り出されたほぼ正方形の3逓倍素子15の大きさは、成長したDKDP結晶14の水平断面の大きさにほぼ等しい。
[実施例3:重水素化率70%のDKDP結晶の長種結晶のピラミッド型成長]
重水素化率70%のDKDP結晶の長種結晶のピラミッド型成長は、以下のステップを含む。
ステップ1)
結晶成長用の成長槽1を作製し、前記成長槽1の上部にモータ5を取り付け、該モータ5の回転軸4の下端を結晶キャリア3の接続棒6に接続する。
ステップ2)
結晶成長用の結晶キャリア3を作製する。ここで、前記結晶キャリア3には、上部ビーム7と、下部トレイ12と、接続棒6と、支持側棒8、9と、2つのブレード状撹拌パドル10、11とが含まれ、前記上部ビーム7は滑らかなエッジを有するスラットであり、前記接続棒6は上部ビーム7の真ん中に固定された中空の丸棒であり、前記下部トレイ12は丸板であり、前記支持側棒8、9の下端は下部トレイ12の同一直径の両端に溶接され、前記支持側棒8、9の上端は上部ビーム7の両端に溶接され、前記ブレード状撹拌パドル10、11は支持側棒8、9に溶接されたブレード状構造であり、前記2つのブレード状撹拌パドル10、11、支持側棒8、9及び上部ビーム7は同じ鉛直面上にあり、前記下部トレイ12の上面の真ん中は種結晶の固定位置であり、全ての接続箇所はスムーズに連結されて滑らかさを確保する。
ステップ3)
高さ方向が[001]方向のDKDP長種結晶13を作製する。ここで、前記DKDP長種結晶13の高さは前記結晶キャリア3の支持側棒8、9の高さよりも低く、前記DKDP長種結晶13の水平方向の長さ及び幅は15mmである。
ステップ4)
前記DKDP長種結晶13の下端面にAB接着剤を塗布し、前記結晶キャリア3の下部トレイ12の上面の中心に取り付ける。
ステップ5)
飽和点が70℃のDKDP結晶成長液2を調製する。
ステップ6)
DKDP長種結晶13を取り付けた結晶キャリア3をオーブンに入れて70℃の予熱温度で12時間予熱する。
ステップ7)
予熱が完了したら、DKDP長種結晶13を取り付けた結晶キャリア3を調製したDKDP成長液2に入れ、前記結晶キャリア3の接続棒6を前記モータ5の回転軸4に接続し、モータ5を起動する。回転速度を50rpmに設定し、回転モードは正転25s-減速2s-停止1s-逆方向加速2s-逆転25s-減速2s-停止1s-順方向加速2sの周期を採用する。ここでsは秒である。
ステップ8)
前記DKDP成長液2を85℃に加熱して過熱処理し、該DKDP長種結晶13を溶断せずに前記DKDP長種結晶13の4つの側面を全て溶解させた後、前記DKDP成長液2の過飽和度が常に10%になるように温度を下げ、DKDP結晶が前記DKDP長種結晶13上でピラミッド型成長を開始し、次にDKDP結晶14を得る。
特に、3逓倍素子15を切断する場合には、DKDP結晶14の整合角は59°4′であり、方位角は0°又は90°であるので、成長したDKDP結晶14を2つに分割した各部分は、[100]方向に沿って、且つ[001]方向に対して30°6′の角度でほぼ正方形の3逓倍素子15を切断することができ、切断効率が非常に高く、そして、これらの切り出されたほぼ正方形の3逓倍素子15の大きさは、成長したDKDP結晶14の水平断面の大きさにほぼ等しい。
(付記)
(付記1)
結晶成長用の成長槽を作製し、前記成長槽の上部にモータを取り付け、該モータの回転軸の下端を結晶キャリアの接続棒に接続するステップ1)と、
結晶成長用の結晶キャリアを作製し、前記結晶キャリアには、上部ビームと、下部トレイと、接続棒と、支持側棒と、2つのブレード状撹拌パドルとが含まれ、前記接続棒は上部ビームの真ん中に固定され、前記支持側棒の下端は下部トレイの同一直径の両端に固定され、前記支持側棒の上端は上部ビームの両端に固定され、前記ブレード状撹拌パドルは支持側棒に固定されたブレード状構造であり、前記2つのブレード状撹拌パドル、支持側棒及び上部ビームは同じ鉛直面上にあり、前記下部トレイの上面の真ん中は長種結晶の固定位置であり、全ての接続箇所はスムーズに連結されて滑らかさを確保するステップ2)と、
高さ方向が[001]方向の長種結晶を作製し、前記長種結晶の高さは前記結晶キャリアの支持側棒の高さよりも低く、前記長種結晶の水平方向の長さ及び幅の範囲は5~15mmであるステップ3)と、
前記長種結晶の下端面にAB接着剤を塗布し、前記結晶キャリアの下部トレイの上面の真ん中に取り付けるステップ4)と、
飽和点40~70℃の結晶成長液を調製するステップ5)と、
長種結晶を取り付けた結晶キャリアをオーブンに入れて4~12時間予熱し、予熱温度は前記成長液の飽和点温度であるステップ6)と、
予熱が完了したら、長種結晶を取り付けた結晶キャリアを調製した前記成長液に入れ、前記結晶キャリアの接続棒を前記モータの回転軸に接続し、モータを起動し、回転速度を10~50rpmの範囲に設定し、回転モードは正転25s-減速2s-停止1s-逆方向加速2s-逆転25s-減速2s-停止1s-順方向加速2sの周期を採用し、ここでsは秒であるステップ7)と、
前記成長液を飽和点温度よりも5~15℃高い温度に加熱して過熱処理し、前記長種結晶を溶断せずに前記長種結晶の4つの側面を全て溶解させた後、前記成長液の過飽和度が常に5~15%になるように温度を下げ、結晶が前記長種結晶上でピラミッド型成長を開始し、次にKDP系結晶が得られるステップ8)と、を含むことを特徴とするKDP系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法。
(付記2)
ステップ2)において、前記上部ビームは滑らかなエッジを有するスラットであり、前記接続棒は中空の丸棒であり、前記下部トレイは丸板であることを特徴とする付記1に記載の成長法。
(付記3)
ステップ2)において、前記固定方式は溶接であることを特徴とする付記1に記載の成長法。
(付記4)
前記KDP系結晶はKDP結晶又はDKDP結晶であることを特徴とする付記1に記載の成長法。
1 成長槽
2 成長液
3 結晶キャリア
4 回転軸
5 モータ
6 接続棒
7 上部ビーム
8 支持側棒
9 支持側棒
10 ブレード状撹拌パドル
11 ブレード状撹拌パドル
12 下部トレイ
13 長種結晶
14 KDP系結晶
15 3逓倍素子。

Claims (4)

  1. 結晶成長用の成長槽を作製し、前記成長槽の上部にモータを取り付け、該モータの回転軸の下端を結晶キャリアの接続棒に接続するステップ1)と、
    結晶成長用の結晶キャリアを作製し、前記結晶キャリアには、上部ビームと、下部トレイと、接続棒と、支持側棒と、2つのブレード状撹拌パドルとが含まれ、前記接続棒は上部ビームの真ん中に固定され、前記支持側棒の下端は下部トレイの同一直径の両端に固定され、前記支持側棒の上端は上部ビームの両端に固定され、前記ブレード状撹拌パドルは支持側棒に固定されたブレード状構造であり、前記2つのブレード状撹拌パドル、支持側棒及び上部ビームは同じ鉛直面上にあり、前記下部トレイの上面の真ん中は長種結晶の固定位置であり、全ての接続箇所はスムーズに連結されて滑らかさを確保するステップ2)と、
    高さ方向が[001]方向の長種結晶を作製し、前記長種結晶の高さは前記結晶キャリアの支持側棒の高さよりも低く、前記長種結晶の水平方向の長さ及び幅の範囲は5~15mmであるステップ3)と、
    前記長種結晶の下端面に接着剤を塗布し、前記結晶キャリアの下部トレイの上面の真ん中に取り付けるステップ4)と、
    飽和点40~70℃の結晶成長液を調製するステップ5)と、
    長種結晶を取り付けた結晶キャリアをオーブンに入れて4~12時間予熱し、予熱温度は前記成長液の飽和点温度であるステップ6)と、
    予熱が完了したら、長種結晶を取り付けた結晶キャリアを調製した前記成長液に入れ、前記結晶キャリアの接続棒を前記モータの回転軸に接続し、モータを起動し、回転速度を10~50rpmの範囲に設定し、回転モードは正転25s-減速2s-停止1s-逆方向加速2s-逆転25s-減速2s-停止1s-順方向加速2sの周期を採用し、ここでsは秒であるステップ7)と、
    前記成長液を飽和点温度よりも5~15℃高い温度に加熱して過熱処理し、前記長種結晶を溶断せずに前記長種結晶の4つの側面を全て溶解させた後、前記成長液の過飽和度が常に5~15%になるように温度を下げ、結晶が前記長種結晶上でピラミッド型成長を開始し、次にKDP系結晶が得られるステップ8)と、を含むことを特徴とするKDP系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法。
  2. ステップ2)において、前記上部ビームは滑らかなエッジを有するスラットであり、前記接続棒は中空の丸棒であり、前記下部トレイは丸板であることを特徴とする請求項1に記載の成長法。
  3. ステップ2)において、前記固定方式は溶接であることを特徴とする請求項1に記載の成長法。
  4. 前記KDP系結晶はKDP結晶又はDKDP結晶であることを特徴とする請求項1に記載の成長法。
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