陰離子摻雜對(duì)KDP晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)關(guān)等領(lǐng)域。近些年來(lái),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(guó)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(zhǎng)特大尺寸的高激光損傷閾值的KDP晶體研究,當(dāng)前在國(guó)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(guò)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(guó)正在努力發(fā)展快速生長(zhǎng)技術(shù)。這一技術(shù)對(duì)原料、生長(zhǎng)設(shè)備及生長(zhǎng)條件要求比較嚴(yán)格,所以大尺寸KDP和DKDP晶體在國(guó)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(zhǎng)工藝有很大關(guān)系,溶液中的雜質(zhì)、過(guò)飽和度的大小、溶液的穩(wěn)定性、晶體生長(zhǎng)的速度和溫度,都會(huì)對(duì)晶體的質(zhì)量產(chǎn)生影響。明確KDP晶體中各類(lèi)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(lái)看,關(guān)于陽(yáng)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(duì)KDP晶體的生長(zhǎng)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(zhǎng)法生長(zhǎng)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(duì)KDP晶體生長(zhǎng)習(xí)性、光散射、透過(guò)光譜、光學(xué)均勻性以及電導(dǎo)率的影響,通過(guò)超顯微法和ICP等方法測(cè)量和觀察了晶體中的光散射和雜質(zhì)元素的含量,測(cè)量了不同陰離子摻雜下KDP晶體的透過(guò)光譜和電導(dǎo),并對(duì)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(zhǎng),研究了SO42-、NO3-和Cl-對(duì)晶體溶液穩(wěn)定性、生長(zhǎng)速度、形態(tài)及應(yīng)力缺陷等生長(zhǎng)習(xí)性的影響。溶液的穩(wěn)定性是KDP晶體生長(zhǎng)的基礎(chǔ),它不僅關(guān)系到晶體的生長(zhǎng)

5、能否順利進(jìn)行,還影響到晶體的質(zhì)量。通過(guò)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(zhǎng)溶液均會(huì)出現(xiàn)雜晶,穩(wěn)定性受到破壞。硫酸鹽摻雜對(duì)晶體的生長(zhǎng)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(kāi)裂、包臧和添晶等缺陷；通過(guò)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(méi)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(duì)KDP晶體的生長(zhǎng)影響較小。KDP晶體中的散射顆粒是衡量其質(zhì)量?jī)?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(duì)晶體的透過(guò)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(zhǎng)法所得晶體中,柱面和錐面生長(zhǎng)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(guò)波段一般認(rèn)為0.176-1.5μm,可對(duì)波長(zhǎng)為1.064μm激光實(shí)現(xiàn)二倍頻和三倍頻。通過(guò)分析摻雜晶體的透過(guò)性能,我們發(fā)現(xiàn)低濃度硫酸鹽摻雜時(shí),KDP晶體的透過(guò)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(guò)率較純KDP晶體降低很多。對(duì)于“點(diǎn)籽晶”快速生長(zhǎng)法所得晶體,錐面生長(zhǎng)區(qū)的透過(guò)光譜的變化規(guī)律與傳統(tǒng)降溫法晶體的相類(lèi)似,柱面生長(zhǎng)區(qū)的透過(guò)率在紫外波段下降很快,截止波長(zhǎng)為300nm。NO3-和Cl-摻雜對(duì)KDP晶體的透過(guò)率

8、無(wú)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(guò)測(cè)量晶體的錐光干涉圖來(lái)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(shuō)明高濃度硫酸鹽摻雜時(shí)晶體的均勻性降低。電導(dǎo)在國(guó)外是衡量DKDP晶體質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),通過(guò)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(duì)于KDP晶體也是很重要的,它決定了KDP晶體在電光開(kāi)

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(duì)KDP晶體的生長(zhǎng)和光學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生的影響,其中SO42-對(duì)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