JPWO2020207139A5

JPWO2020207139A5 - Ｋｄｐ系結晶の長種結晶のピラミッド型成長法

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Publication number: JPWO2020207139A5
Application number: JP2021518919A
Authority: JP
Publication date: 2022-10-05
Anticipated expiration: 2040-02-27

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。

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（ＰＹＲＡＭＩＤＡＬＧＲＯＷＴＨＭＥＴＨＯＤ）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。

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。

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。

［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。

［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。

［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。

（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。

Claims

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。
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。
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。
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。