OPCPA用關(guān)鍵硼酸鹽晶體材料研制.pdf

1、在世界化石能源即將枯竭，而新能源進(jìn)展緩慢的情況下，慣性約束核聚變(Inertial Confinement Fusion，ICF)的發(fā)展就承載了人類的清潔能源之夢(mèng)。傳統(tǒng)的慣性約束核聚變主要通過(guò)對(duì)氘氚靶丸的均勻向心壓縮、加熱而產(chǎn)生的中心點(diǎn)火來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著CPA（啁啾脈沖放大）技術(shù)在1985年前后由美國(guó)羅切斯特大學(xué)發(fā)明，該技術(shù)使得激光的脈寬大幅度縮短到皮秒和飛秒量級(jí)，據(jù)此人們提出了快點(diǎn)火這種低閾值、高增益、高效率的激光點(diǎn)火方案。1986年A.

2、Piskarakas等人又首次提出了結(jié)合OPO和CPA技術(shù)的光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術(shù)的概念，1992年A.Dubictis在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了OPCPA技術(shù)的可行性并對(duì)其概念進(jìn)行了完善。相比CPA技術(shù)，OPCPA技術(shù)具有更高的單通增益，低的熱效應(yīng)影響，高的信噪比，低的B積分，寬的增益帶寬，且在放大過(guò)程中克服了增益帶寬窄化現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。目前，OPCAP技術(shù)已經(jīng)成為獲得高峰值/高平均功率激光的最有效手段之一。Nd∶glass和鈦寶石飛秒

3、激光器常作為OPCPA系統(tǒng)的種子源，但是鈦寶石激光器裝置一般比較昂貴與繁瑣，而Nd∶glass激光器因熱性能差而限制了其在高功率激光系統(tǒng)中進(jìn)一步的應(yīng)用，因此探索熱性能優(yōu)異的激光材料就成為必要。Nd∶M3Re2(BO3)4(M=Ca，Sr; Re=Y, La，Gd)系列晶體因在結(jié)構(gòu)上的無(wú)序性導(dǎo)致其光譜產(chǎn)生非均勻加寬，是潛在的產(chǎn)生飛秒脈沖的激光晶體材料。另外，我們知道非線性光學(xué)晶體材料作為OPCPA技術(shù)中的放大介質(zhì)，是利用OPCAP技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4、高峰值/高平均功率的關(guān)鍵。目前，所使用的非線性光學(xué)材料主要有KDP或DKDP，BBO，LBO等晶體。其中BBO和LBO晶體都是采用助溶劑方法生長(zhǎng)，目前的加工口徑一般還限于2 em，只能應(yīng)用與中等功率的OPCPA系統(tǒng)中。KDP晶體的口徑目前已經(jīng)可以達(dá)到40 cm，但是小的非線性系數(shù)及相對(duì)較差的熱光性能限制了其在高功率OPCPA中的應(yīng)用。近年來(lái)，YCa4O(BO3)3(YCOB)晶體引起了人們的廣泛注意。和其他非線性晶體相比，其有效非線性系

5、數(shù)和熱學(xué)性能適中，重要的是YCOB晶體不但可以采用提拉法在較短時(shí)間生長(zhǎng)出大尺寸和高光學(xué)質(zhì)量的單晶，而且相比于采用助溶劑方法生長(zhǎng)的BBO和LBO晶體，生長(zhǎng)周期更是大大縮短。目前我們國(guó)家大尺寸YCOB晶體生長(zhǎng)尚處于起步階段，嚴(yán)重制約了我們國(guó)家高功率激光器水平。因此自主研制大尺寸高質(zhì)量YCOB晶體，提高我們國(guó)家的高功率激光的水平，具有十分重大的意義。
　　 基于以上考慮，我們同時(shí)開(kāi)展了Nd∶M3Re2(BO3)4(M=Ca，Sr; R

6、e=Y, La，Gd)系列晶體的生長(zhǎng)與表征以及大尺寸YCOB晶體的生長(zhǎng)與表征。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下:
　　 首先針對(duì)OPCPA技術(shù)中種子源的問(wèn)題，我們開(kāi)展了無(wú)序Nd∶M3Re2(BO3)4(M=Ca，Sr; Re=Y, La，Gd)系列晶體的生長(zhǎng)和性能表征問(wèn)題，希望能探索潛在的飛秒脈沖激光晶體。針對(duì)該系列晶體我們開(kāi)展了以下工作:
　　 (1)采用提拉法生長(zhǎng)了高質(zhì)量的0.5at.％ Nd摻雜Ca3La2(BO3)4、Ca

7、3Gd2(BO3)4、Sr3La2(BO3)4和Sr3Y2(BO3)4四種晶體。
　　 (2)采用X射線粉末衍射(XRPD)對(duì)Nd∶Ca3La2(BO3)4、 Nd∶Ca3Gd2(BO3)4、Nd∶Sr3La2(BO3)4和Nd∶Sr3Y2(BO3)4四種晶體進(jìn)行了物相和結(jié)構(gòu)研究，并精確計(jì)算了它們的晶胞參數(shù)。采用高分辨X射線衍射法檢驗(yàn)了所生長(zhǎng)Nd∶M3Re2(BO3)4系列晶體的晶格完整性，結(jié)果顯示其搖擺曲線沒(méi)有出現(xiàn)寬化和劈裂，

8、晶體具有良好的晶格完整性。利用錐光干涉法檢驗(yàn)了晶體的光學(xué)均勻性，得到的錐光干涉條紋完整平滑，未有扭曲及雜紋出現(xiàn)，表明所生長(zhǎng)的Nd∶M3Re2(BO3)4系列晶體具有良好的光學(xué)均勻性。
　　 (3)首次對(duì)Nd∶Ca3La2(BO3)4、 Nd∶Ca3Gd2(BO3)4、 Nd∶Sr3La2(BO3)4和Nd∶Sr3Y2(BO3)4四種晶體進(jìn)行了系統(tǒng)性的熱學(xué)性能的表征，包括晶體的熱膨脹、熱擴(kuò)散及比熱。利用密度、比熱和熱擴(kuò)散系數(shù)乘積的

9、方法計(jì)算了上述四種晶體的熱導(dǎo)率，結(jié)果表明這四種晶體的熱導(dǎo)率隨溫度升高而升高，表現(xiàn)出一種玻璃特性。四種晶體的熱導(dǎo)率在室溫條件下分別為:k11=1.08 Wm-1K-1，0.85 Wm-1K-1，1.38Wm-1K-1,0.74 W m-1K1; k22=1.12 Wm-1K-1,0.89 Wm-1K-1,1.41 Wm-1K-1,1.00Wm-1K1; k33=1.03 Wm-1K-1,0.84 Wm-1K-1,1.30 Wm-1K-1,

10、0.67 Wm-1K-1。其中Nd∶Sr3La2(BO3)4晶體表現(xiàn)出更好的熱學(xué)性能，且熱導(dǎo)率優(yōu)于Nd∶glass，使得該晶體有應(yīng)用于高功率激光系統(tǒng)中的可能。
　　 (4)對(duì)Nd∶Ca3La2(BO3)4、 Nd∶Ca3Gd2(BO3)4、 Nd∶Sr3La2(BO3)4和Nd∶Sr3Y2(BO3)4四種晶體進(jìn)行了光學(xué)性能的表征，以Nd∶Sr3La2(BO3)4為例，采用最小偏向角法測(cè)量了該晶體在多波長(zhǎng)下的折射率，并擬合了色散方

11、程。另外測(cè)量了四種晶體的偏振吸收光譜，采用J-O理論對(duì)四種晶體的光譜參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。同時(shí)也測(cè)量了四種晶體的偏振發(fā)射譜，并以Nd∶Ca3La2(BO3)4晶體為例，測(cè)量了該晶體低溫下的偏振發(fā)射譜。得出了該晶體無(wú)論是在低溫還是室溫條件下，晶體的譜線加寬都主要由晶體無(wú)序性導(dǎo)致的非均勻加寬造成。該系列晶體在1060nm處的半峰寬與Nd∶glass相當(dāng)，說(shuō)明該系列晶體是潛在的獲得飛秒脈沖的激光基質(zhì)晶體。
　　 (5)首次實(shí)現(xiàn)了Nd∶Ca3

12、La2(BO3)4、Nd∶Ca3Gd2(BO3)4、Nd∶Sr3La2(BO3)4和Nd∶Sr3Y2(BO3)4四種晶體的連續(xù)激光輸出。最大輸出功率分別為1.08W、603mW、533mW和905mW。
　　 另外針對(duì)目前應(yīng)用于OPCPA技術(shù)的關(guān)鍵性硼酸鹽晶體材料YCOB晶體，我們開(kāi)展了相應(yīng)的工作，主要包括如下幾個(gè)方面:
　　 (1)針對(duì)大尺寸YCOB晶體的生長(zhǎng)，我們首先開(kāi)展了數(shù)值模擬的工作。我們采用CGSim軟件模擬了

13、各生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)生長(zhǎng)系統(tǒng)中傳質(zhì)和傳熱過(guò)程的影響，包括晶體轉(zhuǎn)速、軸向溫梯以及晶體直徑的大小對(duì)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的作用和影響。
　　 (2)以高純?cè)蟉2O3，H3BO3，CaCO3通過(guò)固相反應(yīng)合成了晶體生長(zhǎng)用多晶料。選取適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，采用提拉法進(jìn)行了大尺寸YCOB晶體的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)過(guò)程采用自動(dòng)等徑技術(shù)控制。分析了影響YCOB晶體生長(zhǎng)的各種因素，提出了解決晶體生長(zhǎng)過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題的辦法。總結(jié)如下:
　　 1.YCOB晶體的生長(zhǎng)需

14、要采用高純的原料來(lái)進(jìn)行多晶料的合成。由于B2O3在原料合成和晶體生長(zhǎng)的過(guò)程中都有一定程度的揮發(fā)，我們?cè)诔跗谂淞系臅r(shí)候?qū)3BO3的量過(guò)量總質(zhì)量的1％，防止組分的偏析。并在每一次長(zhǎng)完晶體之后，再額外補(bǔ)充一部分的硼酸。
　　 2.選用合適的坩堝尺寸和較好的保溫措施，以降低晶體的較大尺寸對(duì)生長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)傳質(zhì)和傳熱過(guò)程的影響。
　　 3.減小液面之上的軸向溫度梯度，避免晶體生長(zhǎng)和降溫過(guò)程中因?yàn)樘荻冗^(guò)大造成的晶體開(kāi)裂。
　　

15、4.在高于熔點(diǎn)附近的溫度下，對(duì)熔體進(jìn)行一定時(shí)間的過(guò)熱處理，使得熔體中的氣泡減少及YCOB多晶料的充分反應(yīng)。
　　 5.平放肩晶體過(guò)程中，由于晶體肩部直接裸露與較低溫的生長(zhǎng)環(huán)境中而增加了晶體的熱散失，進(jìn)而造成晶體肩部存在較大的溫度梯度，易引起開(kāi)裂，因此我們采用合適的放肩角，以保證晶體的斜放肩生長(zhǎng)，避免平放肩導(dǎo)致的肩部開(kāi)裂。選定適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，在溫場(chǎng)一定的情況下，保證晶體的微凸界面生長(zhǎng)。另外拉速盡量小，使得晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的排雜充分，減少

16、晶體缺陷的產(chǎn)生。
　　 6.設(shè)計(jì)合理的保溫層及生長(zhǎng)工藝參數(shù)，降低界面處徑向的溫度梯度，以使得YCOB晶體的螺旋生長(zhǎng)降到最低。
　　 7.晶體提脫之后，采用分段、緩慢降溫的程序，以使熱沖擊和熱應(yīng)力降到最低，避免降溫過(guò)快造成的晶體開(kāi)裂。
　　 通過(guò)采取以上措施，我們實(shí)現(xiàn)了大尺寸、高光學(xué)質(zhì)量YCOB晶體的斜放肩、微凸界面生長(zhǎng)。獲得了2英寸、4英寸和5英寸的高光學(xué)質(zhì)量的YCOB晶體。()(3)通過(guò)對(duì)YCOB樣品進(jìn)行錐光干

17、涉的試驗(yàn)，表明所生長(zhǎng)的YCOB晶體有很好的光學(xué)均勻性，為了進(jìn)一步驗(yàn)證晶體的光學(xué)均勻性，我們又采用D PhaseCam2000干涉儀測(cè)量了YCOB晶體的均勻性。結(jié)果表明，YCOB晶體的均勻性達(dá)到1.35×10-5量級(jí)，說(shuō)明晶體均勻性良好，與之前做的錐光干涉實(shí)驗(yàn)相吻合。
　　 (4)對(duì)YCOB晶體樣品進(jìn)行了透過(guò)譜的測(cè)量，得出YCOB晶體在1030nm附近的透過(guò)率約為85％。通過(guò)計(jì)算其折射率引起的反射損耗，得到在該波段的吸收系數(shù)小于0

18、.002 cm-1，YCOB晶體具有高的透過(guò)率。
　　 (5)對(duì)YCOB晶體樣品進(jìn)行了抗光損傷閾值的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在能量密度大于20J/cm2時(shí)，晶體未見(jiàn)損傷，已經(jīng)達(dá)到了工程需要，具備輸出高功率密度激光的能力。
　　 (6)測(cè)量了YCOB晶體的熱學(xué)性質(zhì)，得出YCOB晶體在主軸方向的熱膨脹系數(shù)用張量表示為:｛5.880003.370009.68｝×10-6K-1，熱導(dǎo)率沿主軸方向用張量表示為:｛1.740002.160003.