RU2032777C1

RU2032777C1 - Method of thermal treatment of potassium dideuteriumphosphate electrooptical crystals

Info

Publication number: RU2032777C1
Authority: RU
Inventors: А.А. Лябин; Л.Л. Федорова; В.М. Шишкин; В.В. Азаров; С.И. Резник
Original assignee: Научно-исследовательский институт "Платан" с заводом при НИИ
Priority date: 1991-04-09
Filing date: 1991-04-09
Publication date: 1995-04-10

Abstract

FIELD: electronic engineering. SUBSTANCE: crystals of DKDR were heated by stage at 60 ± 3, 80 + 3, 110 + 3, 130 + 3, and 150 + 3 C for 1 h at every stage at the rate of heating and cooling 0.5-1.5 degree/min. At the last stage at 150 + 3 C additional exposition is carried out for 2-10 h. After every stage cooling is carried out at 20-25 C for 12-16 h. Heat stability of crystals is increased up to 145-150 C, power threshold of crystal disruption by laser is increased by 1.2-1.4-fold. EFFECT: improved method of crystal treatment. 4 dwg

Description

Изобретение относится к прикладной кристаллофизике и может быть использовано в электронной технике при применении электрооптического кристалла дидейтерефосфата калия (ДКДР) в качестве элемента пространственного модулятора света в проекционных светоклапанных запоминающих электронно-лучевых приборах (СЗЭЛП) с мишенью на основе кристалла ДКДР, лазерном приборостроении. The invention relates to applied crystal physics and can be used in electronic technology when using an electro-optical crystal of potassium dideterephosphate (DCDR) as an element of a spatial light modulator in projection light-valve storage electron-beam devices (CELP) with a target based on a DCDR crystal, laser instrument making.

Электрооптический кристалл ДКДР относится к семейству сегнетоэлектриков типа КДР, в котором водород замещен, например, на 90% дейтерием. Кристалл ДКДР, обладающий ценным качеством изменением показателя преломления необыкновенного луча согласно эффекту Поккельса, имеет недостаточную теплоустойчивость. The electro-optical DCDR crystal belongs to the family of ferroelectrics of the KDR type, in which hydrogen is replaced, for example, by 90% deuterium. A DCDR crystal, which has a valuable quality by changing the refractive index of an extraordinary ray according to the Pockels effect, has insufficient heat resistance.

Особенностью кpисталла ДКДР является недопустимость его нагрева до температуры выше 80-100^оС, так как при больших температурах происходит деградация кристаллической структуры. Это приводит к его разрушению и превращению его в порошкообразное мелкозернистое вещество белого цвета.A feature is a crystal DKDR unacceptability heating it to a temperature above ^about 80-100 C, since at higher temperatures the degradation of the crystalline structure. This leads to its destruction and its transformation into a powdery fine-grained substance of white color.

Из-за отмеченного недостатка, например, нельзя наносить тонкопленочное покрытие на подложку (кристалл ДКДР), нагретую выше 80-100^оС, эффективно проводить термовакуумную обработку прибора. Это ограничивает возможность улучшения параметров СЗЭЛП за счет оптимизации технологии напыления тонкопленочных покрытий, повышения надежности, технологичности, выхода годных приборов из-за трудоемкой, длительной и неэффективной термовакуумной обработки.Because of these drawbacks, e.g., it is impossible to apply a thin film coating on a substrate (crystal DKDR) heated up to 80-100 ^{° C,} to effectively conduct thermal vacuum processing device. This limits the possibility of improving the parameters of SZELP by optimizing the technology of spraying thin-film coatings, increasing the reliability, manufacturability, and the yield of suitable devices due to the time-consuming, lengthy and ineffective thermal vacuum treatment.

Известен способ повышения теплоустойчивости электрооптических кристаллов семейств КДР, в котором применяется ступенчатый отжиг кристаллов ДКР, проводимый по следующей схеме; нагрев в интервале ΔТ 20-120^оС со скоростью V 20-25 град/ч, в ΔТ 120-150^оС с V 2-4 град/ч, в ΔТ 150-170^оС с V 0,5-0,7 град/ч, в Δ Т 170-195^оС с V 0,2-0,3 град/ч. При максимальной температуре выдерживают 14-15 сут. Охлаждение кристаллов проводят в тех же интервалах с теми же скоростями. Этот способ термообработки не приемлем для кристаллов ДКДР, не допускающих воздействия таких повышенных температур, разрушающих их химические связи. Для кристаллов ДКР высокотемпературный фазовый переход, вызывающий разрушение кристалла, происходит при более высокой температуре, чем для ДНДР, и находится в интервале температур 175-220^оС. В этом способе требуется длительное время для обработки кристаллов.There is a method of increasing the thermal stability of electro-optical crystals of the KDR families, in which stepwise annealing of DKR crystals is carried out, carried out according to the following scheme; heating in the range of ΔТ 20-120 ^о С with a speed of V 20-25 deg / h, in ΔТ 120-150 ^о С with V 2-4 deg / h, in ΔТ 150-170 ^о С with V 0.5-0, 7 deg / h, in Δ Т 170-195 ^о С with V 0.2-0.3 deg / h. At maximum temperature can withstand 14-15 days. The crystals are cooled at the same intervals with the same speeds. This heat treatment method is not acceptable for DCDR crystals that do not allow exposure to such elevated temperatures that destroy their chemical bonds. For crystals LSC high temperature phase transition causing the destruction of a crystal occurs at a higher temperature than for DNDR, and stored in the temperature interval 175-220 ^C. This method requires a long time to process the crystals.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ термообработки электрооптических кристаллов ДКДР (прототип), заключающийся в том, что термообработку проводят следующим образом: нагрев со скоростью 2 град/мин до 120-125^оС, выдержка при этой температуре в течение 22-24 ч, медленное охлаждение до комнатной температуры со скоростью 2-3 град/ч. Указанный способ позволяет повысить теплоустойчивость электрооптических кристаллов до 120-125^оС. Но для ряда практических применений кристаллов ДКДР, например, при их использовании в качестве активного элемента в мишени проекционного СЗЭЛП, целесообразно иметь электрооптические кристаллы с большей теплоустойчивостью, выдерживающие воздействие больших температур.The closest in technical essence to the proposed method is a method of heat treating electrooptic crystals DKDR (prototype), which consists in that the heat treatment is carried out as follows: heating rate of 2 deg / min to 120-125 ^{° C,} holding at this temperature for 22- 24 hours, slow cooling to room temperature at a speed of 2-3 deg / h. Said method allows to increase the thermostability of the electrooptic crystal to 120-125 ° ^C. However, for a number of practical applications DKDR crystals, for example in their use as the active element in the projection target SZELP advisable to have electro-optic crystal having a higher heat resistance to withstand exposure to high temperatures.

Целью изобретения является повышение теплоустойчивости кристаллов. The aim of the invention is to increase the thermal stability of crystals.

Указанная цель достигается проведением термообработки при медленной скорости подъема температуры, выдержке и медленном охлаждении электрооптических кристаллов ДКДР. This goal is achieved by heat treatment at a slow rate of temperature rise, exposure and slow cooling of electro-optical crystals of DCDR.

Согласно изобретению проводят последовательное поэтапное повышение температуры от 60±3^оС до 150±3^оС при малых скоростях нагрева и охлаждения, равных 0,5-1,5 град/мин на каждом этапе. Термообработка включает 6 этапов с температурами в порядке их последовательности проведения, равными соответственно 60±3, 80±3, 110±3, 130±3, 150±3^оС с выдержками при каждой температуре в течение 1 ч, с охлаждением до 20-25^оС и выдержкой при этой температуре 12-16 ч, после каждого этапа при 150±3^оС проводят два этапа с выдержкой 2-го этапа 2-10 ч.According to the invention is carried out sequentially stepwise temperature increase from 60 ± 3 ° ^C to 150 ± 3 ° ^C at small heating and cooling rate of 0.5-1.5 ° C / min in each stage. Heat treatment includes 6 stages with temperatures in the order of their conduction equal to 60 ± 3, 80 ± 3, 110 ± 3, 130 ± 3, 150 ± 3 ^о С, respectively, with exposures at each temperature for 1 h, with cooling to 20- 25 ° ^C and holding at this temperature for 12-16 h, after each stage at 150 ± 3 ° ^C is conducted two stage delayed 2nd stage 2-10 hours.

Предлагаемое решение основано на результатах экспериментального исследования электрооптических кристаллов ДКДР на теплоустойчивость. The proposed solution is based on the results of an experimental study of electro-optical DCDR crystals for thermal stability.

Предлагаемый способ проведения термообработки электрооптических кристаллов ДКДР представлен на фиг.1, 2, 3, 4. На фиг.1 приведена схема проведения термообработки электрооптических кристаллов ДКДР с последовательным поэтапным повышением температуры; на фиг.2, 3, 4 представлены примеры схем термообработок электрооптических кристаллов ДКДР. The proposed method for heat treatment of electro-optical crystals of DCDR is presented in figures 1, 2, 3, 4. Figure 1 shows a diagram of the heat treatment of electro-optical crystals of DCDR with a sequential stepwise increase in temperature; figure 2, 3, 4 presents examples of heat treatment schemes of electro-optical crystals DCDR.

Термообработку проводят по задаваемой программе, совпадающей со схемой на фиг.1, в системе программного отжига, изготовленной на базе электрической сушильной камеры типа СНОЛ 3,5.3,5.3,5/3Т. При термообработке образцы в камере находятся в безградиентной зоне. Термообработка проводится на воздухе. На каждом этапе выдержка кристаллов при нагретой температуре проводится с максимально допустимым разбросом, равным ±3^оС. Это значение получено экспериментально. Если изменения температуры превышают указанный интервал, то после проведения термообработки предложенным способом часть кристаллов ДКДР разрушается, видимо, вследствие возникновения в кристаллах дополнительных внутренних напряжений.The heat treatment is carried out according to a preset program, which coincides with the circuit in Fig. 1, in a program annealing system made on the basis of an SNOL 3,5.3,5.3,5 / 3T type electric drying chamber. During heat treatment, the samples in the chamber are in a gradientless zone. Heat treatment is carried out in air. At each stage, crystals shutter at a heated temperature is carried out with a maximum spread equal to ^about ± 3 C. The value obtained experimentally. If the temperature changes exceed the specified interval, then after the heat treatment by the proposed method, some of the DCDR crystals are destroyed, apparently due to the appearance of additional internal stresses in the crystals.

Нижний предел температуры на 1-м этапе, равный 60±3^оС, подобран также экспериментально. Более низкие значения температуры не влияют на положительные результаты по повышению теплоустойчивости кристаллов ДКДР из-за недостаточного теплового воздействия на структуру кристалла.The lower temperature limit at the 1st stage, equal to 60 ± 3 ^о С, was also selected experimentally. Lower temperatures do not affect the positive results in increasing the thermal stability of DCDR crystals due to the insufficient thermal effect on the crystal structure.

Верхний предел температуры 150±3^оС выявлен также экспериментально. При воздействии больших температур происходит разрушение химических связей в кристаллической решетке и ДКДР переходит в другую фазу.The upper temperature limit of 150 ± 3 ^о С was also revealed experimentally. When exposed to high temperatures, the chemical bonds in the crystal lattice are destroyed and the DCDD passes into another phase.

В предложенном способе отличительным признаком является и температура охлаждения 20 25^оС после каждого этапа и время выдержки при этой температуре 12-16 ч. Без этих признаков положительный результат не достигается, см. например, пример 5 в описании, где приведены результаты термообработки после ступенчатого подъема температуры без проведения охлаждения и выдержки после каждой ступени.In the proposed method feature is the cooling temperature is 20 ²⁵ ° C after each step and the holding time at this temperature for 12-16 hours. Without these characteristics benefit is not achieved, see. E.g., Example 5 herein, which shows the results after the heat treatment step temperature rise without cooling and holding after each stage.

Время выдержки 12-16 ч найдено экспериментально, и оно необходимо для достижения положительного результата. При времени выдержки кристаллов более 16 ч положительный результат сохраняется, но такая выдержка нецелесообразна из-за увеличения времени обработки. An exposure time of 12-16 hours was found experimentally, and it is necessary to achieve a positive result. When the exposure time of the crystals is more than 16 hours, a positive result is maintained, but such exposure is impractical due to the increase in processing time.

П р и м е р 1. Проводили термообработку 10 электрооптических кристаллов ДКДР из разных партий при последовательном поэтапном повышении температур от 60± ±3^оС до 150±3^оС по предложенной на фиг.1 схеме. В шестом этапе при 150^оС выдержку проводили в течение 10 ч. Нагрев и охлаждение кристаллов после каждого этапа проводили со скоростью 0,5-1,5 град/мин. Результат обработки деградированных кристаллов нет. При последующем воздействии температуры 145-150^оС кристаллы не деградировали.EXAMPLE Example 1 were heat-treated electro-optical crystals 10 of different batches DKDR sequential gradually raise the temperature from 60 ± ± 3 ° ^C to 150 ± 3 ° ^C according to the proposed scheme in Figure 1. In the sixth step at 150 ° ^C exposure was run for 10 hours. The heating and cooling of the crystals after each stage was carried out at a rate of 0.5-1.5 dg / min. The result of processing degraded crystals is not. When subsequently exposed to a temperature ^of 145-150 C the crystals are not degraded.

П р и м е р 2. Проводили термообработку 8 электрооптических кристаллов ДКДР из разных партий при последовательном поэтапном повышении температуры от 60±3^оС до 150±3^оС по предложенному на фиг.1 способу. В шестом последнем этапе при 150^оС выдержку проводили 2 ч. Результат деградированных кристаллов нет. При последующем воздействии температуры 145-150^оС кристаллы не деградировали.EXAMPLE Example 2 was heat-8 electrooptic crystals DKDR from different batches sequential stepwise raising the temperature from 60 ± 3 ° ^C to 150 ± 3 ° ^C according to the method proposed in Figure 1. In a sixth final stage, at ¹⁵⁰ ° C was carried out for 2 hours exposure. Results crystals have degraded. When subsequently exposed to a temperature ^of 145-150 C the crystals are not degraded.

П р и м е р 3. Проводили термообработку 8 кристаллов ДКДР из разных партий в один этап по схеме, представленной на фиг.2. Нагрев и охлаждение проводили со скоростью 0,5-1,5 град/мин, выдержку при 150^оС ±3^оС 8 ч. Результат: 5 кристаллов из 8 разрушились.PRI me R 3. Spent heat treatment of 8 crystals DCDR from different lots in one step according to the scheme shown in figure 2. Heating and cooling were carried out at a rate of 0.5-1.5 ° C / min, holding at 150 ° ^C ± 3 ° ^C 8 hr Result:. 5 Crystals of 8 collapsed.

П р и м е р 4. Проводили термообработку 10 кристаллов ДКДР из разных партий при последовательном поэтапном повышении температуры от 60±3^оС до 160±3^оС по схеме, представленной на фиг.3. Нагрев и охлаждение проводили при скоростях 0,5-1,5 град/мин, выдержку при каждой температуре 1 ч. Результат: после 5 этапа со ступенькой 150^оС деградированных кристаллов не было, после обработки при 160^оС 2 кристаллы разрушились.EXAMPLE Example 4 was heat-10 crystals DKDR from different batches sequential stepwise raising the temperature from 60 ^{° C} ± 3 to 160 ± 3 ° ^C according to the scheme shown in Figure 3. Heating and cooling were carried out at velocities of 0.5-1.5 dg / min, holding at each temperature for 1 h Result:. 5 after step 150 from step ^C of crystals was not degraded after the treatment at 160 ^{° C for} 2 crystals collapsed.

П р и м е р 5. Проводили термообработку 10 кристаллов ДКДР из разных партий со ступенчатым подъемом температуры по схеме, показанной на фиг.4, от 60^оС до 150^оС. На каждой ступени проводили выдержку кристаллов в течение 1 ч. После ступенчатого подъема температуры проводили этап обработки при 150^оС в течение 6 ч. Изменения температуры кристаллов проводили со скоростями 0,5-1,5 град/мин. Результат: после проведения последнего этапа термообработки 3 кристалла разрушились.PRI me R 5. Conducted heat treatment of 10 crystals DCDR from different parties with a stepwise increase in temperature according to the scheme shown in figure 4, from 60 ^about C to 150 ^about C. At each stage, the crystals were aged for 1 hour. After stepwise raising temperature processing step carried out at ¹⁵⁰ ° C for 6 hours. The temperature changes of crystals was performed with velocities of 0.5-1.5 dg / min. Result: after the last stage of heat treatment, 3 crystals were destroyed.

Приведенные примеры показывают, что термообработка кристаллов ДКДР при последовательном поэтапном повышении температуры от 60^оС до 150^оС повышает теплоустойчивость кристаллов до 145-150^оС.These examples show that the heat treatment crystal DKDR sequential stepwise raising the temperature from 60 ^{° C} to ¹⁵⁰ ° C increases the thermostability of the crystals to 145-150 ° ^C.

Экспериментальный выбор предложенного способа термообработки основан на предложении о возможности "закаливания" электрооптического кристалла ДКДР при многократном тепловом воздействии с постепенным увеличением нагрузки при малых скоростях изменения температуры, не разрушающих химические связи кристалла. The experimental choice of the proposed heat treatment method is based on the proposal on the possibility of "hardening" of an electro-optical DCDR crystal with repeated heat exposure with a gradual increase in load at low temperature changes that do not destroy the chemical bonds of the crystal.

Термообработка кристаллов ДКДР предложенным способом вызывает изменение их структуры. Измерение порога мощности лазерного разрушения кристаллов ДКДР показало, что после проведения термообработки этот порог увеличивается в 1,2-1,4 раза. Это свидетельствует о том, что в кристаллах уменьшается число дефектов, определяющих низкие пороги лазерного разрушения. Heat treatment of crystals DCDR by the proposed method causes a change in their structure. Measurement of the laser destruction power threshold of DCDR crystals showed that after heat treatment this threshold increases by 1.2–1.4 times. This indicates that the number of defects determining the low thresholds of laser destruction decreases in crystals.

Результаты по повышению теплоустойчивости, получаемые предложенным способом, планируется использовать в производстве СЗЭЛП с электрооптическими кристаллами ДКДР, что позволит улучшить основные параметры прибора повысить скорость записи, уменьшить потери света в приборе, повысить надежность, технологичность термовакуумной обработки прибора, выход годных приборов. The results of increasing the heat resistance obtained by the proposed method are planned to be used in the production of SZELP with electro-optical DCDR crystals, which will improve the basic parameters of the device, increase the recording speed, reduce light loss in the device, increase reliability, adaptability of the thermovacuum processing of the device, and yield of suitable devices.

Claims

METHOD OF THERMAL PROCESSING OF ELECTRO-OPTICAL CRYSTALS OF POTASSIUM DIDETEROPHOSPHATE, including their heating to a predetermined temperature, holding and cooling, characterized in that, in order to increase the heat resistance of crystals, heating is carried out in stages at 60 ± 3, 80 ± 3, 110 ± 3, 130 ± 3 and 150 ± 3 ^o C for 1 h at each stage with a heating and cooling rate of 0.5 1.5 deg / min, after which at the last stage an additional exposure is carried out for 2 10 h and cooling after each stage is carried out at 20 25 ^o C within 12 to 16 hours