大尺寸KDP-DKDP晶體熱學性質及其均勻性研究.pdf

1、磷酸二氫鉀(KH2PO4，簡稱KDP)晶體，是一種性能非常優(yōu)良的非線性光學晶體。KDP晶體由于較大的非線性光學系數，從近紅外到紫外波段都有很高的透過率，較高的激光損傷閾值，可對1.064μm激光實現二倍頻、三倍頻和四倍頻，也可對染料激光器實現二倍頻，被廣泛的用于制作各種激光倍頻器。另外，KDP晶體也是一種性能優(yōu)良的電光晶體材料。KDP晶體由于其優(yōu)良的電光性質和非線性光學性質成為大功率激光系統(tǒng)慣性約束核聚變工程(ICF)中唯一可用的非線性

2、光學材料。
　　隨著ICF事業(yè)的發(fā)展，KDP晶體尺寸、數量和質量的提升成為現在研究的重點。例如，美國國家點火計劃(NIF)大約需要600片截面積為410mm×410mm的KDP/DKDP晶片，用來組裝成普克爾斯盒和倍頻器件，另外，還需要大量的備用的晶片。就我國而言，目前“神光Ⅲ”主機和點火工程已經被列入國家中長期重大工程，未來國家將會對高質量的大尺寸KDP/DKDP晶體的需求將會持續(xù)加大。
　　KDP/DKDP晶體作為典型的

3、彈脆性材料，在生長、出槽、搬運、加工、退火和激光熱輻射過程中極易因溫度的變化而產生開裂，而開裂問題嚴重制約了KDP/DKDP晶體向更大尺寸、更高質量和更高使用性能方向的發(fā)展。材料的開裂行為是由于內應力超過其抗拉或抗壓強度而發(fā)生的，熱學性質則表征材料受溫度變化而發(fā)生的組織結構的變化。為了研究大尺寸晶體的開裂行為，我們對KDP晶體的熱學性質進行了研究。
　　KDP/DKDP晶體由于生長速度慢，生長周期長等特點，在生長過程中生長條件會有

4、所差異，這會帶來晶體在不同生長階段熱學性質的差異性。此外，KDP/DKDP晶體是通過水溶液法生長，水溶液中的雜質離子對晶體的生長和各項性質都有非常重要的影響。目前已針對雜質離子對晶體各項光學性能影響做過大量研究，而鮮有關于其對晶體熱學性質影響的報道。本文針對KDP/DKDP晶體的熱學性質進行了研究，論文主要有以下內容:
　　1、針對大尺寸KDP/DKDP晶體不同生長區(qū)間熱膨脹系數均勻性進行了研究。實驗結果表明:大尺寸KDP/DKD

5、P晶體熱膨脹系數在不同的生長區(qū)間存在不均勻性，其中，晶體生長初期靠近成帽區(qū)的部分和晶體生長末期靠近錐頭區(qū)的部分熱膨脹系數與晶體中間部分偏差較大。得到了KDP/DKDP晶體分別在25-100℃和25-110℃內的各切向的平均線性熱膨脹系數。
　　2、對大尺寸KDP/DKDP晶體不同生長區(qū)間的熱導率進行了測試分析，實驗結果表明，大尺寸KDP/DKDP晶體不同生長區(qū)間熱導率存在不均勻性，生長初期靠近成帽區(qū)的部分和晶體生長末期靠近錐頭區(qū)的

6、部分熱導率與晶體中間部分偏差較大。另外，得到了晶體在不同溫度下的熱導率。
　　3、選擇了KDP晶體生長溶液中常見的不同價態(tài)的金屬陽離子Cs+、Mg2+、Al3+，與H2PO4-具有相近結構的ClO4-進行了晶體的摻雜生長，研究了其對晶體熱膨脹系數的影響。摻雜結果表明:晶體柱面生長區(qū)x向熱膨脹系數隨Cs+摻雜濃度的增加呈現出先減小后增加的規(guī)律，錐面生長區(qū)x向熱膨脹系數與柱面生長區(qū)有相同的影響規(guī)律，但影響稍小，摻雜后柱面生長區(qū)z向熱膨

7、脹系數變化較小，規(guī)律不明顯，而錐面生長區(qū)z向熱膨脹系數在摻Cs+后都小于未摻雜晶體;隨Mg2+摻雜濃度的增加，KDP晶體柱面和錐面兩個生長區(qū)x向熱膨脹系數都呈減小的趨勢，而z向熱膨脹系數比未摻雜時有所降低，但變化規(guī)律不明顯且變化不大;Al3+的摻雜使KDP晶體的熱膨脹系數都明顯降低。柱面生長區(qū)x向和z向熱膨脹系數都隨摻雜濃度升高而減小，錐面生長區(qū)則無明顯變化規(guī)律。
　　隨ClO4-摻雜濃度的增加，柱面生長區(qū)x向熱膨脹系數有先增加后