（材料学专业论文）溶液过饱和度和氘化程度对kdpdkdp晶体光学性能影响的研究.pdf

山东大学硕士论文 中文摘要 k d p d k d p 晶体是一种光学性能非常优良的非线性光学晶体，主要 用于激光变频、电光调制、光快速开关等高科技领域。大尺寸k d p d k d p 晶体是惯性约束核聚变工程( i c f ) 的首选材料，目前还没有其它的综 合性能更优良的材料可以用来取代它。尽管k d p ，d k d p 晶体经历了6 0 多年的研究历程，但借助于更新的方法和手段以及更先进的仪器和设 备，人们对它的研究仍在日益加深。i c f 工程对k d p d k d p 晶体的要求 既包括高光学质量( 高的激光损伤阈值、高的光学均匀性) 和大透光口径， 同时也包括数量，例如美国的国家点火计划( n i f ) 大约需要由6 0 0 片 截面积为4 le m 4 1c m 的k d p d k d p 晶片组装成普克尔斯盒和倍频器件， 我国的神光计划也将需要大量的由k d p d k d p 晶体制成的光学器件。 为了满足工程的需要，人们在努力提高晶体光学质量的基础上，积极探 索快速生长和定向生长技术。 近些年来随着i c f 的迅速发展，美国禁止出口相关的技术和材料， 国际上大尺寸高质量的k d p d k d p 晶体供不应求。研究大尺寸高质量 的k d p d k d p 晶体的生长，为我国神光计划提供足够多的各项指标 均能达到工程要求的k d p d k d p 晶片，是我们面临的主要任务和亟待 解决的难题 溶液的稳定性是k d p d k d p 晶体生长的基础，它不仅关系到晶体 的生长能否顺利进行，还影响到晶体的光学质量对k d p d k d p 晶体 生长过程中溶液的状态进行研究和分析，有利于我们为晶体的生长提供 一个相对稳定的溶液环境，减少一些偶然因素对晶体生长和光学质量的 影响，从而可以更好地分析所设计的生长条件对晶体生长及其光学性能 的影响 本论文首先对k d p 晶体生长过程中溶液的稳定性进行了分析溶 液的稳定性包括其自身状态的稳定性和为晶体生长提供驱动力的稳定 性对于理想的k d p 过饱和溶液，影响其稳定性的主要因素是溶液的 山东大学硕士论文 过饱和度和生长温度在实际晶体生长过程中，溶液的稳定性是由多种 因素共同作用决定的，这种共同作用集中表现为k d p 晶体的生长条件。 向k d p 溶液里加入一些添加剂，可以改善溶液的稳定性，但这些添加 剂对k d p 晶体的光学质量都有不同程度的影响，不利于提高k d p 晶体 的激光损伤阈值和光学均匀性。目前，在保证晶体光学质量的前提下， 提高k d p 晶体生长过程中溶液稳定性的主要做法包括，使用高纯度的 原料、对溶液进行精细过滤、对溶液进行充分过热、在晶体生长过程中 对溶液进行连续过滤和对溶液进行更合理的搅拌。 大尺寸的氘化d k d p 晶体主要用来制作i c f 装置中的三倍频器件 溶液的氘化程度对d k d p 晶体的光学性能和拉曼散射效应影响大为了 确定其影响程度，我们将溶液的氘化程度作为晶体生长的一个条件，系 统地研究了溶液的氘化程度对晶体的生长和光学性能的影响，为进一步 选择适宜氘化程度的溶液生长用来制作三倍频器件的d k d p 晶体提供 参考。 与k d p 晶体相比，氘化程度高的d k d p 晶体的电光性能非常好、 拉曼散射效应比较弱、透光波段宽，但是氘化程度越高，d k d p 晶体的 应变结构越大、应力感应的双折射越高，生长速度越慢。 通过分析d k d p 晶体对光的透过性能，我们发现在氘化程度为5 0 一6 0 的溶液中生长的d k d p 晶体在紫外部分的透过率较低。k d p 晶体 和不同氘化程度溶液中生长的d k d p 晶体的x 射线粉末衍射图谱显示， 在5 0 氘化溶液中生长的d k d p 晶体的晶格的畸变程度最大 综合考虑k d p 晶体和不同氘化程度溶液中生长的d k d p 晶体的各 项性能后，我们认为在氘化程度为7 0 - 8 0 的溶液里生长的d k d p 晶 体是目前制作i c f 装置中三倍频器件的理想材料 目前人们在积极研究大尺寸k d p d k d p 晶体的快速生长技术，但 这项技术对原料和生长设备的要求很严格，要求超纯原料和特制的生长 设备，并且成本也很高，所以目前还是以传统降温法和溶液流动法为主 要生长方法但是i c f 工程要用到大量的k d p d k d p 晶体，为了满足 这种需要，可以在传统生长法的基础上，通过提高溶液稳定性，适当地 i l 山东大学硕士论文 加快降温速度来增大溶液的过饱和度从而提高晶体的生长速度为此， 我们研究了溶液过饱和度对晶体的生长和光学性能的影响并分析了影 响机制 增大溶液的过饱和度在提高晶体z 方向生长速度的同时将产生柱 面扩展。对不同生长条件下产生柱面扩展的晶体的测试情况显示扩展部 分在紫外部分的透过率明显低于本体部分的透过率它们的锥光干涉图 说明柱面扩展部分的晶体应力大，均匀性差，我们分析认为这是由于过 饱和度对不同部位的生长速度产生的影响不同所致，在柱面扩展部分缺 陷增多，质量变差 关键词：k d p d k d p ，晶体生长，透过率，氘化程度，柱面扩展 i i i 山东大学顾士论文 a b s t r a c t k d p d k d pc r y s t a l sa r en o n l i n e a lo p t i c a lc r y s t a lm a t e r i a l sw i t hg o o d o p t i c a lq u a l i t i e sa n dh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h eh i g ht e c h n o l o g y f i e l d ss u c ha sl a s e rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，e l e c t r o o p t i c a lm o d u l a t i o n ，o p t i c s w i t c ha n ds o o n b i g - s i z e d k d p d k d pc r y s t a l sa r et h e p r e f e r r e d m a t e r i a l sf o ri c f ( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ) a n dt h e r ea r en oo t h e r m a t e r i a l sw i t hb e t t e ro p t i c a lp e r f o r m a n c ew h i c hc a nb eu s e dt os u b s t i t u t e f o rk d p d k d pc r y s t a l sa tp r e s e n tt i m e i n v e s t i g a t i o n so nk d p d k d p c r y s t a l sh a v eb e e nl a s t i n gf o rm o r et h a n6 0y e a r s ，b u tw i t ht h eh e l po fn e w m e t h o d sa n da d v a n c e di n s t r u m e n t s ，f u r t h e ri n v e s t i g a t i o n sa r es t i l lc a r r i e d o u tn o w a d a y s t h er e q u i r e m e n t so f o p t i c a lq u a l i t i e s o fk d p d k d p c r y s t a l sb yi c fi n c l u d et h e i rg o o dq u a l i t i e s ( h i g hl a s e rd a m a g et h r e s h o l d ， h i g ho p t i c a lu n i f o r m i t y ) a n db i gs i z e ，b u ta l s oq u a n t i t y ，f o re x a m p l e ，t h e n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ( n i f ) u n d e rc o n s t r u c t i o na tl a w r e n c el i v e r m o r e n a t i o n a ll a b o r a t o r yw i l lr e q u i r ea b o u t6 0 0c r y s t a lp l a t e s ，t h es e c t i o n a l a r e ao fw h i c hi s4ic mx41c m ，f o rp o c k e l sc e l l ，d o u b l e ro rt r i p l e r ，a n d s h e n g u a n gp r o j e c to fc h i n aa l s on e e d sal o to fo p t i c a la p p a r a t u sm a d eo f k d p d k d pc r y s t a l s t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fn i f ，r a p i dg r o w t ho f k d p d k d pc r y s t a l si s d e v e l o p e db a s e do nt h ei m p r o v e m e n to fo p t i c a l q u a l i t i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn i f ，u s ap r o h i b i t st h ee x p o r to fr e l a t i v e t e c h n o l o g yo rm a t e r i a l sa n di nt h ei n t e r n a t i o n a lm a r k e t st h es u p p l yo f b i g s i z e da n dh i g h q u a l i t yk d p d k d pc r y s t a l sf a l ls h o r to fd e m a n d t o s u p p l ye n o u g ho p t i c a la p p a r a t u sm a d eo fk d p d k d pc r y s t a l sw i t h r e q u i r e dq u a l i t i e st os h e n g u a n gp r o j e c t ，t h eg r o w t ho fb i g s i z e da n d h i g h - q u a l i t yk d p d k d pc r y s t a l si sa na r d u o u st a s ka n dn e e d st ob es o l v e d a ss o o na sp o s s i b l e 山东大学硕士论文 t h es t a b i l i t yo fs o l u t i o ni st h eb a s i so ft h eg r o w t ho fk d p d k d p c r y s t a l s t h es t a b i l i t yo fs o l u t i o nd e c i d e sn o to n l yt h en o r m a lg r o w t ho f t h ec r y s t a l s ，b u ta l s ot h eo p t i c a lq u a l i t y t h ea n a l y s i so ft h es t a t eo f s o l u t i o nd u r i n gt h eg r o w t hi sh e l p f u lf o rt h ed e s i g n i n go ft h ep r o c e s so f c r y s t a lg r o w t ha n dd e d u c i n gt h ei n f l u e n c e o fa c c i d e n t a lf a c t o r so nt h e g r o w t ha n dq u a l i t yo fc r y s t a l st h e nt h es t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fd e s i g n e d g r o w t hc o n d i t i o n so nt h eg r o w t ha n dq u a l i t i e so fk d p d k d pc r y s t a l s t h i st h e s i sa n a l y z e st h es t a t eo fk d ps o l u t i o na n dt h em a i nf a c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h es t a b i l i t yo fk d ps o l u t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fc r y s t a l g r o w t h t h es t a b i l i t yo fs o l u t i o ni n c l u d e s b o t ht h es t a b l e s t a t eo ft h e s o l u t i o na n dt h es t a b l ed r i v i n gf o r c ef o rt h ec r y s t a lg r o w t h t oi d e a l s u p e r s a t u r a t e dk d ps o l u t i o n ，t h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt h es t a b i l i t yo f s o l u t i o na r et h es u p e r s a t u r a t i o na n dt h eg r o w t ht e m p e r a t u r e i nt h er e a l p r o c e s so fc r y s t a lg r o w t h ，t h es t a b i l i t y o fs o l u t i o ni sd e c i d e d b yt h e c o m m o n e f f e c to fk i n d so ff a c t o r sa n dt h ec o m m o n e f f e c ti sd e m o n s t r a t e d b yg r o w t hc o n d i t i o n s t h es t a b i l i t yo fs o l u t i o nc a nb ei m p r o v e db ya d d i n g s o m eo r g a n i co ri n o r g a n i ca d d i t i v e s ，b u tt h ea d d i t i v e sw i l li n f l u e n c et h e o p t i c a lq u a l i t yo ft h ec r y s t a l s i no r d e rt og e th i g h - q u a l i t yc r y s t a l s ，t h e m e t h o d so fi m p r o v i n gt h es t a b i l i t yo fs o l u t i o na r et h eu s i n go fu l t r a p u r e r a wm a t e r i a l ，t h ef i n e f i l t e r i n go fs o l u t i o n ，t h ea m p l e s u p e r h e a t i n go f s o l u t i o n ，t h ec o n t i n u o u sf i l t r a t i o na n dt h ep r o p e rs t i rd u r i n gt h ep r o c e s so f c r y s t a lg r o w t h t h et r i p l e r so fi c fa r em a i n l ym a d eo fb i g - s i z e dd e u t e r a t e dd k d p c r y s t a l s t h ed e u t e r a t i o no fs o l u t i o ni n f l u e n c e st h eo p t i c a lp e r f o r m a n c eo f d k d pc r y s t a l sg r e a t l y t od e c i d et h ed e u t e r a t i o no fs o l u t i o nt og r o w d k d pc r y s t a l sf o ri c fi ti sn e c e s s a r yt om a k es y s t e m i cr e s e a r c h e so n a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n td e g r e e so fd e u t e r a t i o no nt h eg r o w t h a n dt h eo p t i c a lp e r f o r m a n c eo fd k d pc r y s t a l s c o m p a r e dw i t hk d pc r y s t a l ，h i g h - d e u t e r a t e dd k d pc r y s t a l so w n 山东大学硕士论文 b e t t e re l e c t r o o p t i c a lf u n c t i o n ，l o w e re f f e c to fr a m a ns c a t t e r i n g ，b r o a d e r b a n do ft r a n s m i t t a n c e ，b u tt h eh i g h e rt h ed e g r e eo fd e u t e r a t i o n ，t h eb i g g e r t h es t r u c t u r ea n dt h eb i r e f r a c t i o ni n d u c e db ys t r e s si sa n dt h el o w e rt h e g r o w t hr a t ei s t h et r a n s m i t t a n c eo fd k d pc r y s t a lg r o w ni n5 0 一d e u t e r a t e ds o l u t i o n d e d u c e sr a p i d l ya tt h eb a n do fu l t r a v i o l e t x - r a yd i f f r a c t i o ns p e c t r u mo f k d pa n dd k d pc r y s t a l ss h o w st h a tt h el a t t i c eo fd k d pc r y s t a lg r o w ni n 5 0 一d e u t e r a t e ds o l u t i o nd i s t o r t s g r e a t e s ta m o n gt h ec r y s t a l sg r o w ni n o t h e rd e u t e r a t e ds o l u t i o n s i ti sb e l i e v e dt h a td k d pc r y s t a l sg r o w ni n7 0 - 8 0 一d e u t e r a t e d s o l u t i o n sa r ei d e a lf o rt r i p l e r so fi c fb ys y n t h e t i c a l l ya n a l y z i n ga l lt h e f u n c t i o n so fk d pc r y s t a la n das e r i e so fd k d pc r y s t a l s i nr e c e n ty e a r st h et e c h n o l o g yo fo r i e n t e dr a p i dg r o w t ho fb i g s i z e d k d p d k d pc r y s t a l sh a sb e e nd e v e l o p i n ga c t i v e l y ，b u tt h a tt e c h n o l o g y r e q u i r e su l t r a - p u r er a wm a t e r i a la n ds p e c i a l l y d e s i g n e dg r o w t ht a n k s ，a t t h es a m et i m et h a tt e c h n o l o g yc o s t sm u c hm o r et h a nt h et r a d i t i o n a lg r o w t h m e t h o d s ，s ok d p d k d pc r y s t a l sa r es t i l lg r o w nb yt r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r e d e d u c t i o nm e t h o do rs o l u t i o nc i r c u l a t i o nm e t h o d t om e e tt h eg r e a tn e e do f k d p d k d pc r y s t a l s ，t h eg r o w t hr a t eo fk d p d k d pc r y s t a l sc a nb e a c c e l e r a t e db yi n c r e a s i n gt h es u p e r s a t u r a t i o no fs o l u t i o nb a s e do nt h e t r a d i t i o n a l g r o w t h m e t h o d s t h ei n f l u e n c ea n di t sm e c h a n i c so f s u p e r s a t u r a t i o no nt h ec r y s t a lg r o w t ha n do p t i c a lp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d i nt h et h e s i s t h ei n c r e a s eo fs o l u t i o ns u p e r s a t u r a t i o nw i l la c c e l e r a t et h eg r o w t h r a t e ，b u tw i l lc a u s eb r o a d e n i n go fp r i s m sa tt h es a m et i m e t h et e s t i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s m i t t a n c eo ft h eb r o a d e n i n gp a r t si se v i d e n t l y l o w e rt h a nt h a to ft h ei n n e rp a r t s t h ec o n e i n t e r f e r e n c ep a t t e r n ss h o wt h e s t r e s si nt h eb r o a d e n i n gp a r t si sb i g g e ra n dt h eh o m o g e n e i t yo ft h e s ep a r t s i sl o w e r i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h es u p e r s a t u r a t i o ni n f l u e n c e sd i f f e r e n t l yt h e 山东大学硕士论文 g r o w t hr a t eo fd i f f e r e n tp a r t sa n dt h ei n c r e a s i n gd e f e c t si nt h eb r o a d e n i n g p a r t sc a u s et h eq u a l i t yl o w k e yw o r d s ：k d p d k d p , c r y s t a lg r o w t h ，t r a n s m i t t a n c e ，d e g r e eo f d e u t e r a t i o n ，b r o a d e n i n go fp r i s m s 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：圣i 堑 日期：丝：兰! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名窆! 盈导师签名：么至型岛期：链型， 山东大学硕士论文 第一章概论 1 1 研究历程 k d p ( k h 2 p 0 4 ) 晶体有着非常优良的光学性能，d k d p ( k d 2 。h 。p 0 4 ) 晶体是将k d p 晶体里的氢( h ) 原子用氘( d ) 原子置换，晶体的部分 性能得到了改善。它们在非线性光学材料中占有重要地位，主要用于激 光变频、电光调制、电光开关等上个世纪6 0 年代激光的问世，使k d p 家族i t l 的系列晶体受到了广泛关注，自从大功率激光系统在受控热核反 应、核爆炸模拟实验等重大技术方面得到应用以后，人们对k d p d k d p 晶体的研究又进入了一个崭新的阶段。 在新型非线性光学晶体的探索过程中，人们相继发明并生长出了多 种其它类型的新晶体，如k t p k t i o p 0 4 、b b o 【d b a b 2 0 4 】、 l b o l i b 3 0 5 】、b i b o b i b 3 0 6 】、k a b o 【k 2 a 1 2 8 2 0 7 】、k b b f 【k b e 2 ( b 0 3 ) f 2 】、 l a p ( h 2 n ) 2 + c n h ( c h 2 ) 3 c h ( n h 3 ) + c o o h 2 p 0 4 。h 2 0 等，这些晶体的 非线性光学性能也十分优良，某些性能甚至优于k d p d k d p 晶体。但 对于大功率激光系统来说，如i c f ( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ，惯性 约束核聚变) 装置中的普克尔斯盒( p o c k e l sc e l l ) 和二倍频( s h g ) 及三 倍频( t h g ) 器件，k d p d k d p 晶体是制作这些光学器件的唯一可选材料， 目前还没有其它的综合性能( 光学均匀性，激光损伤阈值，截止透过频 率，电光系数，非线性光学系数，单晶尺寸等) 更优良的材料可以用来 取代它。 1 1 1 晶体结构 k d p 晶体在室温下属四方晶系，d 2 d j 2 m 点群，d 2 d 1 2 i j 2 j 空间群。 晶胞参数a = b = 0 7 4 5 3 n m ，c = 0 6 9 7 5 n m ，z = 4 ，当k d p 晶体中氢原子被 氘原子取代后，晶体所属晶系、点群及空间群不变时，晶胞参数略有变 化：a = b = o 7 4 6 9 n m ，c = o 6 9 7 6 n m ，z = 4 k d p d k d p 晶体的理想外形 是一个四方柱和四方双锥的聚合体( 图卜1 ) 山东大学硕士论文 8b 图1 1ak d p 晶体的理想外形，bk d p 晶体的结构模型 利用拉曼光谱对k d p 晶体生长过程中溶液的结构进行实时观察和 测试表明：k d p 晶体的生长基元为【h 2 p 0 4 。，晶体中各个面族的显露程 度取决于生长基元在各个面族上叠合的稳定性。在柱面( 1 0 0 ) 上生长 基元是由氢键连接的，稳定性最差，生长速率较慢；锥面“0 1 ) 上生 长基元与k + 相连接，稳定性高，生长速率快；在f0 0 1 ) 面上，每个生 长基元同时与两个k + 相连，稳定性最高，生长速率最快t 2 。这一观点在 解释k d p 晶体的外形和传统降温法的生长速度方面比较成功。在k d p 晶体的快速生长过程中，( 1 0 0 ) 方向上的生长速度可以非常接近( 1 0 1 ) 方向的生长速度 3 1 。 实际生长的k d p 晶体如下图。 图l 一2k d p 晶体样品照片 ( 左图为传统降温法生长的k d p 晶体，右图为快速生长法生长的k d p 晶体) 山东大学硕士论文 1 1 2 晶体性质及应用 k d p 晶体的压电性质最早是由g l e b e 4 1 等人报道的，上个世纪5 0 年代k d p 晶体曾作为典型的压电晶体，是用于制造声纳的军备战略物 资，并兼为民用的压电换能材料【5 1 ，直至后来被压电陶瓷所取代1 9 3 2 年g e r ts t e u l m a n n 等人首次测量了k d p 晶体的介电性质【6 】。1 9 3 5 年 g e o r g b u s c h 首次报道了k d p 晶体的铁电性质1 7 1 1 9 4 4 年z w i c k e r 比较 精确地测量了k d p 晶体的电光系数i s 与k d p 晶体相比，在相同的测 试条件下，d k d p 晶体电光系数较大，半波电压相对较低【叭1 9 6 2 年 g i o r d m a i n e 1 0 t ，m a k e r 等人观察到了k d p 晶体的倍频现象，开始了k d p 晶体的非线性光学性质的研究上个世纪六七十年代，k d p d k d p 晶体 被成功地应用于高质量大屏幕显示器j2 , 1 3 1 1 1 3 晶体生长方法 k d p d k d p 晶体的生长方法有多种，如溶液法，凝胶法及电解溶剂 法等大量的生长实践证明溶液法是生长大尺寸高质量k d p d k d p 晶 体的首选方法溶液生长法主要包括蒸发法，传统降温法，循环流动法， 温差梯度法，快速生长法等传统降温法和循环流动法的生长技术比较 成熟，是目前大尺寸k d p d k d p 晶体生长的主要方法，但用这两种方 法生长大尺寸k d p d k d p 晶体时，生长速度比较慢( 1 2 m m d ) 。山东 大学晶体所的专家们在三槽循环流动法【1 4 】的基础上，设计出了四槽溶液 流动法1 1 5 】，提高了晶体生长温度和晶体生长过程中的溶液稳定性，使晶 体的生长速度是传统降温法的2 3 倍，四槽溶液流动法如下图所示 生长檀2 饱和檀3 蛙热檀4 锤冲檀 图i 一3 四槽溶液流动法示意图 3 山东大学硕士论文 自上个世纪8 0 年代以来，人们在传统降温法的基础上，进一步研 究并提高了晶体生长过程中溶液的稳定性【1 6 , 17 ，积极探索大尺寸 k d p d k d p 晶体的快速生长方法。l l n l ( 里弗摩尔实验室) 采用“点 籽晶”利用快速生长方法将k d p d k d p 晶体的生长速度提高到了 1 0 m m d 以上。 1 2 研究意义 k d p d k d p 晶体是i c f 装置中的关键技术材料之一，用来制作该装 置中的普克尔斯盒和二倍频及三倍频器件( 图1 4 ) 。人们非常关注i c f 工程是因为它有着非常深的研究和应用背景，包括探索核能的安全利 用；研究恒星怎样发光；模拟地下核实验；研究极限条件下材料的性能 i c f 工程中核聚变的引发是通过激光或粒子柬完成的，是一种可控 制的热核爆炸【1 8 】。从长远意义讲，i c f 工程在解决人类未来能源短缺的 问题方面具有实际应用的前景，同时也具有巨大的潜在经济利益和环保 效益，已经受到了世界上实力较强国家的普遍关注。 美国在这一方面一直位居世界前茅，1 9 8 5 年美国已在l l n l 建成世 界上最大的大功率光学系统n o v a 装置。1 9 9 8 年开始在n o v a 装置的 基础上，大力发展n i f ( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ，国家点火计划) n i f 装置不仅规模庞大，而且在技术上有许多重要突破，可归纳为 六大成就 ”】，其中两大成就与k d p d k d p 晶体密切相关：普克尔斯盒 的开发和利用，普克尔斯盒是一种特殊的光学开关，它允许激光4 次通 过放大器，这样大大缩短了激光器的长度，美国研究人员认为，如果没 有普克尔斯盒的作用，n i f 装置可能建不成；大尺寸高质量k d p d k d p 晶体快速生长技术的开发和晶体加工技术，快速生长技术首先由苏联科 学家发明，l l n l 进一步完善和应用了该项技术 其他一些国家，如法国l i m e i l 实验室也在抓紧实施他们的兆焦点火 装置( l a s e r m e g a j o u l e ，l m j ) 计划，英国、日本、俄罗斯也在纷纷行 动我国在8 0 年代开始进行激光核聚变系统的研究，于1 9 8 7 年建成了 1 6 k j 两路打靶的神光l 装置，在神光i 基础上的神光装置为8 k j 8 些奎盔兰堡主堡苎 柬正在实施的神光i l l 计划设计为3 0 k j 3 2 柬，规模也在逐步扩大 蠹 图1 4k d p d k d p 晶体在n i f 装置中的应用和普克尔斯盒( p o c k c l sc e l l ) 、二倍 频( s h g ) 、_ - - - 倍频( 丁h g ) 器件的制作及所需k d p d k d p 晶体最小尺寸示意图 5 山东大学硕士论文 近些年来随着i c f 的迅速发展，美国禁止出口相关的技术和材料， 国际上大尺寸高质量的k d p d k d p 晶体供不应求，研究大尺寸高质量 的k d p d k d p 晶体的生长，为我国神光计划提供足够多的各项指标 均能达到工程要求的由k d p d k d p 晶体制造的器件，是我们面临的主 要任务和亟待解决的难题 1 3 研究现状 正是因为k d p d k d p 晶体在i c f 工程中占有重要地位，发达国家 投入的人力物力也在不断增加，对它的生长技术、光学质量、研究方法 等都进行了积极的探索。 1 3 1 快速定向生长技术 快速定向生长技术是在保证晶体光学质量的前提下提高晶体生长 速度的同时提高晶体的利用率为了使k d p d k d p 晶体沿着特定的方 向上生长，俄罗斯的科学家们曾采用“导模”法【20 1 ，法国晶体生长专家 们将定向“点状”籽晶置于两个平行板之问生长出了片状的稍做加工就 可直接用作i 类倍频和类倍频器件的晶体f 2 1 1 以上两种方法都是采取 模具限制法使晶体沿特定方向生长，晶体缺陷往往较多，不易得到优质 单晶。最近发展的快速定向生长技术是控制k d p d k d p 晶体生长过程 中的结晶习性，l l n l 的科学家们采取了以下两种办法实现了这种快速 定向生长：一是在晶体生长过程中使其产生特殊的位错结构并对其进行 控制，另一做法是改变籽晶的放置方向，使其z 轴呈水平方向【2 ”。这样 可以使长成的晶体的尺寸在x , y ，z 方向上具有比较合适的比例，使晶体 易于加工成器件，提高其利用率 1 3 2 激光损伤阈值 激光损伤阈值是i c f 工程对k d p d k d p 晶体要求的重要指标之一， 也是衡量晶体性能的一个重要参数在研究激光损伤机理的同时，更重 6 山东大学硕士论文 要的是研究和探索在晶体生长过程中各种有效提高激光损伤阈值的手 段和晶体生长后的处理工艺，使k d p d k d p 晶体的激光损伤阚值达到 工程的要求提高晶体生长过程中溶液的稳定性、对原料进行超纯化处 理和激光强化及熟退火处理是提高k d p d k d p 晶体激光损伤阈值的有 效手段 1 3 3 光学均匀性 i c f 工程对k d p d k d p 晶体要求的另一个重要指标是光学均匀性 k d p d k d p 晶体的光学均匀性直接关系到能否实现高能光学束的精确 控制，从而可以很好地控制核聚变的进程。 在提高晶体的光学均匀性方面，采取的主要手段有：使用超纯原料， 精细过滤和生长过程中对溶液进行连续过滤，紫外灭菌，在晶体生长后 进行热退火和激光退火处理等这些措施在提高k d p d k d p 晶体光学 均匀性的同时也有利于提高其激光损伤阈值。 1 3 4 数值模拟技术的应用 随着计算机技术突飞猛进的发展，人们可以对晶体生长过程中某些 复杂的过程进行适当的理想化的定量处理，为实际晶体生长过程中对各 项参数的控制提供有意义的参考 数值模拟技术在k d p d k d p 晶体生长方面也有了更新更复杂的应 用 2 3 , 2 4 】，主要包括：模拟并计算k d p d k d p 晶体生长过程中表面上的 水动力状况，包括自然对流和强迫对流的研究；研究和分析大尺寸 k d p d k d p 晶体快速生长过程中的溶液的水动力学和溶质的传输( 尤其 在搅拌作用下的溶液的水动力状况和溶质的传输) 另一个重要应用是对 k d p d k d p 晶体生长过程中死区的研究 1 4 本论文的主要工作设计思路及安排 对k d p d k d p 晶体生长过程中溶液的状态进行分析，有利于我们 7 山东大学硕士论文 为晶体的生长提供一个相对稳定的溶液环境，减少一些偶然因素对晶体 生长和光学质量的影响，从而可以更好地分析所设计的生长条件对晶体 生长及其光学性能的影响本论文作了以下安排： 第二章对k d p 晶体生长过程中溶液的状态进行了分析，并分析了 晶体生长过程中影响溶液稳定性的主要因素 第三章研究了溶液的氘化程度对晶体的生长和光学性能的影响大 尺寸的d k d p 晶体比较适合制作i c f 装置中的三倍频器件。溶液的氘化 程度对d k d p 晶体的生长和光学性能影响大与k d p 晶体相比，随着 氘化程度的增加，d k d p 晶体的部分性能得到了改善，部分性能却有所 下降。这了迸一步确定影响程度，我们将溶液的氘化程度作为晶体生长 的一个条件，对其进行系统研究，分析溶液的氘化程度对晶体的生长和 光学性能的影响，为选择适度氘化的溶液来生长用于制作三倍频器件的 d k d p 晶体提供参考。 第四章分析了溶液的过饱和度对晶体生长和光学质量的影响尽管 目前人们在积极探索k d p d k d p 晶体的快速定向生长技术，由于这种 技术对原料和生长设备的要求很严格，目前还是以传统降温法和溶液流 动法为主要生长方法。但是i c f 工程要用到大量的晶体，为了满足这种 需要，可在传统生长方法的基础上，通过合理地加快降温速度来增大溶 液的过饱和度从而提高晶体的生长速度。本章主要研究了过饱和度对晶 体的生长和光学质量的影响并分析了影响机制 第五章总结了本论文的一些主要思想和有待进一步深入研究及解 决的问题。 8 坐查查兰堡主丝兰 参考文献 【1 】c b e l o u e t ，g r o w t ha n dc h a r a c t e r i z a t i o no fs i n g l e c r y s t a l so fk d p f a m i l y , p r o g c r y s t a lg r o w t hc h a r a c t ， 3 ( 1 9 8 1 ) 1 2 卜1 5