陰離子摻雜對KDP晶體生長及其性能影響的研究.pdf

1、KDP/DKDP晶體是一種光學(xué)性能非常優(yōu)良的非線性晶體,其生長研究已經(jīng)有70多年的歷史,是一種經(jīng)久不衰的水溶性晶體之一；被廣泛應(yīng)用于激光變頻、電光調(diào)制和快速光開關(guān)等領(lǐng)域。近些年來,隨著ICF的迅速發(fā)展,高激光損傷閾值特大尺寸的KDP晶體與其性能的研究,在國際上又進(jìn)入了一個(gè)新階段,盡管目前新型的非線性光學(xué)材料不斷涌現(xiàn),但觀其綜合的非線性光學(xué)性能,尤其是所要求的特大尺寸晶體,到目前為止,能用于激光核聚變等高功率系統(tǒng)中的晶體,也僅僅只有KDP

2、晶體,正因?yàn)槿绱?生長特大尺寸的高激光損傷閾值的KDP晶體研究,當(dāng)前在國內(nèi)外均受到重視。激光核聚變應(yīng)用中不僅要晶體有較大的尺寸,而且要有求有較高的光學(xué)質(zhì)量(高的光傷閾值,低的光學(xué)吸收,高的光學(xué)均勻性和良好的透過波段等)。為了給ICF工程提供足夠的晶體,同時(shí)為了提高晶體的利用率,目前各國正在努力發(fā)展快速生長技術(shù)。這一技術(shù)對原料、生長設(shè)備及生長條件要求比較嚴(yán)格,所以大尺寸KDP和DKDP晶體在國內(nèi)還是以傳統(tǒng)降溫法為主。KDP晶體的質(zhì)量好壞與

3、其生長工藝有很大關(guān)系,溶液中的雜質(zhì)、過飽和度的大小、溶液的穩(wěn)定性、晶體生長的速度和溫度,都會(huì)對晶體的質(zhì)量產(chǎn)生影響。明確KDP晶體中各類雜質(zhì)影響機(jī)制,減輕或消除有害雜質(zhì)影響一直是研究的一個(gè)主要方面。從文獻(xiàn)報(bào)道來看,關(guān)于陽離子雜質(zhì)研究的報(bào)道較多,陰離子雜質(zhì)要少一些。這些雜質(zhì)對KDP晶體的生長習(xí)性和光學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。本論文采用傳統(tǒng)降溫法和“點(diǎn)籽晶”快速生長法生長了KDP晶體,進(jìn)行了硫酸鹽(K2SO4),硝酸鹽(KNO3)和鹵鹽(KCl)摻

4、雜,研究了SO42-、NO3-和Cl-離子對KDP晶體生長習(xí)性、光散射、透過光譜、光學(xué)均勻性以及電導(dǎo)率的影響,通過超顯微法和ICP等方法測量和觀察了晶體中的光散射和雜質(zhì)元素的含量,測量了不同陰離子摻雜下KDP晶體的透過光譜和電導(dǎo),并對其影響機(jī)制和原因進(jìn)行了分析。本論文首先結(jié)合晶體的生長,研究了SO42-、NO3-和Cl-對晶體溶液穩(wěn)定性、生長速度、形態(tài)及應(yīng)力缺陷等生長習(xí)性的影響。溶液的穩(wěn)定性是KDP晶體生長的基礎(chǔ),它不僅關(guān)系到晶體的生長

5、能否順利進(jìn)行,還影響到晶體的質(zhì)量。通過研究分析發(fā)現(xiàn),三種陰離子雜質(zhì)摻雜到一定濃度時(shí),生長溶液均會(huì)出現(xiàn)雜晶,穩(wěn)定性受到破壞。硫酸鹽摻雜對晶體的生長速度和形態(tài)產(chǎn)生較大的影響,高濃度摻雜時(shí),晶體出現(xiàn)開裂、包臧和添晶等缺陷；通過硫酸鹽摻雜KDP晶體的X射線衍射圖顯示,硫酸鹽摻雜后晶體的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生很大的變化。硝酸鹽摻雜導(dǎo)致晶體成帽變得困難,柱面出現(xiàn)擴(kuò)展。鹵鹽摻雜對KDP晶體的生長影響較小。KDP晶體中的散射顆粒是衡量其質(zhì)量優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo),散

6、射顆粒的出現(xiàn)能引起晶體的光損耗,甚至引起在強(qiáng)光下的破壞。有證據(jù)已表明晶體中的散射顆粒是造成激光損傷閾值低的潛在因素。散射顆粒對晶體的透過率,均勻性等方面也有影響。SO42-摻雜晶體中的散射顆粒的密度隨其摻雜濃度增加有所增大,但散射顆粒的數(shù)量增加程度較小。硝酸鹽和鹵鹽摻雜加劇了傳統(tǒng)降溫法所得晶體的光散射,散射重,散射顆粒密度高；但是在“點(diǎn)籽晶”快速生長法所得晶體中,柱面和錐面生長區(qū)的散射顆粒均較少,與純KDP晶體試樣相比,變化不大。KDP

7、晶體的透過波段一般認(rèn)為0.176-1.5μm,可對波長為1.064μm激光實(shí)現(xiàn)二倍頻和三倍頻。通過分析摻雜晶體的透過性能,我們發(fā)現(xiàn)低濃度硫酸鹽摻雜時(shí),KDP晶體的透過光譜變化不大；高濃度摻雜時(shí),傳統(tǒng)降溫法晶體在紫外波段的透過率較純KDP晶體降低很多。對于“點(diǎn)籽晶”快速生長法所得晶體,錐面生長區(qū)的透過光譜的變化規(guī)律與傳統(tǒng)降溫法晶體的相類似,柱面生長區(qū)的透過率在紫外波段下降很快,截止波長為300nm。NO3-和Cl-摻雜對KDP晶體的透過率

8、無明顯影響。KDP晶體中存在的應(yīng)力,會(huì)引起應(yīng)力雙折射和折射率梯度,降低晶體的光學(xué)均勻性。我們發(fā)現(xiàn),硫酸鹽摻雜導(dǎo)致晶體出現(xiàn)大量宏觀缺陷,一定程度降低了KDP晶體的均勻性。通過測量晶體的錐光干涉圖來研究了晶體的光學(xué)均勻性,錐光干涉圖中黑十字的畸變說明高濃度硫酸鹽摻雜時(shí)晶體的均勻性降低。電導(dǎo)在國外是衡量DKDP晶體質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),通過研究晶體材料的電導(dǎo)性質(zhì)可以獲知其內(nèi)部化學(xué)缺陷的信息,對于KDP晶體也是很重要的,它決定了KDP晶體在電光開

9、關(guān)中的應(yīng)用。硫酸鹽摻雜后其電阻率隨著摻雜濃度增大而降低,電導(dǎo)率隨著摻雜濃度的增大而增加,主要是硫酸鹽摻雜后晶體內(nèi)部產(chǎn)生空位等微觀缺陷,使晶體更易導(dǎo)電所致。NO3-和Cl-離子摻雜后,KDP晶體的電阻率和電導(dǎo)率變化不大。總之,本論文第一次比較系統(tǒng)地研究了SO42-、NO3-和Cl-三種陰離子摻雜對KDP晶體的生長和光學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生的影響,其中SO42-對KDP晶體的影響較大,我們認(rèn)為,這是由于SO42-具有四面體結(jié)構(gòu),較強(qiáng)的電負(fù)性以及氫鍵結(jié)合