專利名稱：一種kdp類晶體側(cè)向快速生長方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于溶液法生長晶體的技術(shù)領域，涉及一種水溶性非線性光學晶體的定向生長方法，特別是一種KDP類晶體側(cè)向快速生長方法，根據(jù)不同的相位匹配方向，直接生長滿足倍頻應用要求的片狀晶體，提高晶體的利用率，降低切割加工難度和生長成本。
背景技術(shù)：
KDP類晶體是一類性能優(yōu)良的非線性光學晶體材料，具有較大的非線性光學系數(shù)，較寬的透光波段，易于實現(xiàn)相位匹配，而且可以生長出優(yōu)質(zhì)大尺寸的單晶體，是目前唯一可用于激光核聚變工程中的非線性光學材料。隨著高功率激光技術(shù)的不斷發(fā)展，對KDP類晶體的光學質(zhì)量、數(shù)量和尺寸的要求正在不斷提高，這對該類晶體生長的研究提出了新的更高的要求。目前，KDP類晶體的生長方法主要有兩種，片狀籽晶傳統(tǒng)生長方法和近年來發(fā)展起來的點狀籽晶快速生長方法，但無論是傳統(tǒng)生長方法還是快速生長方法，都是讓晶體 以固有的結(jié)晶學形狀自由生長，因為KDP類晶體屬于四方晶系，最終都生長出外形為四棱柱和四棱錐聚體狀的KDP晶體，長成的晶體在使用時部分重新加工，且加工工藝比較麻煩，浪費人財力和能源；而在高功率激光器倍頻材料的相位匹配設計上，采用I類匹配( =42° φ=45° )的KDP作為二倍頻晶體，采用II類匹配(O =59° φ=0° )的DKDP作為三倍頻晶體，尤其是二倍頻材料采用的I類KDP晶體，由于I類匹配角Φ = 45°，要制備截面為40X40cm2的倍頻晶體元件，就需要生長出大于56X 56cm2的大口徑KDP晶體，因此現(xiàn)有兩種KDP晶體生長方法得到的晶體都存在利用率不高的問題，而且KDP晶體脆性較大，從具有完整晶形的晶體上按照不同相位匹配方向切割晶體樣品時技術(shù)難度大，容易失敗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有兩種KDP晶體生長方法中存在的缺點，針對以固有結(jié)晶學形狀自由生長的晶體都存在利用率不高和加工困難的問題，提出限制KDP類晶體各晶面的自由生長，使晶體只沿倍頻器件的側(cè)向二維快速生長，直接生長出滿足倍頻應用要求的片狀晶體，使KDP類晶體的利用率達到100%，降低自由生長晶體的切割加工難度，及由此引起的高成本、低利用率。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明利用自組裝晶體生長裝置及其籽晶架限制KDP類晶體各晶面的自由生長，通過調(diào)節(jié)生長溶液的PH值來調(diào)控不同晶面的生長速度，使晶體只沿倍頻器件的側(cè)向二維快速生長，直接生長出滿足倍頻應用要求的片狀晶體；所述的籽晶架選取有機玻璃為基體材料，籽晶架的各棱角處拋光，以防止籽晶架的引入引起溶液中的二次成核，破壞生長溶液的穩(wěn)定性；將晶體生長限制在A板和B板之間，限制晶體在A板和B板之間二維生長，晶體的厚度通過改變A、B兩板之間的距離控制，籽晶架的尺寸根據(jù)要生長多大尺寸晶體確定類和II類相位匹配晶體器件的側(cè)向是KDP類晶體的柱面，KDP類晶體的柱面生長表面容易吸附生長溶液中的三價金屬離子阻礙生長，導致生長速度小于晶體的錐面，在低溶液過飽和度條件下，柱面生長會被完全抑制；要使晶體沿柱面二維快速生長，須調(diào)控晶體柱面和錐面的生長速度，提高柱面的生長速度；KDP晶體生長溶液的本征pH值為3. 8-4. 2，隨溶液濃度的不同而變化，通過調(diào)高生長溶液的pH值，降低生長溶液中三價雜質(zhì)金屬離子的濃度，提高柱面的生長速度，當生長溶液的PH值調(diào)至5. O時，晶體柱面與錐面的生長速度之比達到I : I ;在籽晶架將晶體生長限制在二維方向的基礎上，將生長溶液的PH值調(diào)至5. O，能實現(xiàn)晶體的穩(wěn)定側(cè)向快速生長，直接生長出滿足倍頻應用要求的片狀晶體；生長溶液的PH值調(diào)整使晶體的溶解度發(fā)生變化，晶體生長時，不能按照傳統(tǒng)的未調(diào)pH值溶解度曲線設定降溫程序，要重新測定相應PH值下的晶體溶解度曲線，按照新測定的溶解度曲線設定降溫程度，保證側(cè)向 快速生長過程中溶液的穩(wěn)定性。本發(fā)明實現(xiàn)KDP類晶體側(cè)向快速生長時，先選擇自組裝晶體生長裝置，利用經(jīng)重結(jié)晶的高純KH2PO4和二次蒸餾水配置濃度值分別為27、33、39、46、53克KH2P04/100克水的生長溶液，然后用純KOH將這些不同濃度值的溶液pH值調(diào)至5. 0，測出KH2PO4溶液在pH =
5.O時的溶解度曲線，再按照生長缸容積的大小，配置濃度值為50克KH2PO4/100克水的生長溶液，將生長溶液的PH值調(diào)至5. O,對生長溶液進行過濾過熱處理后，將溫度降至飽和點溫度以上2-3°C，將符合II類相位匹配的KDP類晶體的片狀籽晶固定在自組裝晶體生長裝置的籽晶架的A板和B板之間下方中心處，然后放入晶體的生長缸中，待籽晶微溶后，將生長溶液溫度降至飽和點溫度，根據(jù)pH = 5. O的溶解度曲線和生長溶液的體積計算并設定降溫程序，生長初期的降溫速度為O. 5-0. 8°C /d,隨著晶體的長大，降溫速度逐漸增大到
I.0-2. (TC /d。使籽晶架的轉(zhuǎn)速設定為15r/min，采用正-停-反的順序轉(zhuǎn)動方式由電機帶動轉(zhuǎn)動籽晶架，直到晶體生長到設定尺寸即完成晶體的定向生長，得到II類相位匹配的30 X 30 X 5mm3的片狀KDP晶體。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其選用的生長裝置為自組裝結(jié)構(gòu)，成本低，制造簡單，晶體的生長溶液配制方便，晶體生長形狀易控，生長速度快，質(zhì)量好，易于生產(chǎn)加工，生長環(huán)境友好。


圖I為本發(fā)明涉及的KDP類晶體的相位匹配方向結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中(a)和(b)分別為II類和I類相位匹配方向結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明涉及的三種KDP晶體的外形結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)、(b)和(C)分別為傳統(tǒng)方法生長的片狀籽晶晶體、點狀籽晶快速生長方法生長晶體和側(cè)向晶體生長方法生長的產(chǎn)品外形示意圖。圖3為本發(fā)明涉及的側(cè)向生長籽晶架的結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中，生長時A和B板用尼龍螺絲平行固定在一起，中間C為側(cè)向生長晶體。圖4為本發(fā)明的實施例中測出的pH = 5. O和未調(diào)pH值時KDP晶體的溶解度曲線。圖5為本發(fā)明使用的自組裝晶體側(cè)向生長裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖，其中包括電機I、油封2、熱電偶3、側(cè)向生長用的籽晶架4和生長缸5。
具體實施例方式下面通過實施例并結(jié)合附圖作進一步說明。實施例
本實施例先選擇自組裝晶體生長裝置，利用經(jīng)重結(jié)晶的高純KH2PO4和二次蒸餾水配置濃度值分別為27、33、39、46、53克KH2P04/100克水的生長溶液6，然后用純KOH將這些不同濃度值的溶液PH值調(diào)至5. 0，測出KH2PO4溶液在pH = 5. O時的溶解度曲線，再按照生長缸5容積的大小，配置濃度值為50克KH2P04/100克水的生長溶液6，將生長溶液6的pH值調(diào)至5. 0，對生長溶液6進行過濾過熱處理后，將溫度降至飽和點溫度以上2-3°C，將符合II類相位匹配的KDP類晶體的片狀籽晶固定在自組裝晶體生長裝置的籽晶架4的A板和B板之間下方中心處，然后放入晶體的生長缸5中，待籽晶微溶后，將生長溶液6溫度降至飽和點溫度，根據(jù)pH = 5. O的溶解度曲線和生長溶液6的體積計算并設定降溫程序，生長初期的降溫速度為O. 5-0. 8°C /d,隨著晶體的長大，降溫速度逐漸增大到I. 0-2. (TC /d。使籽晶架4的轉(zhuǎn)速設定為15r/min,采用正-停-反的順序轉(zhuǎn)動方式由電機I帶動轉(zhuǎn)動籽晶架4,直到晶體生長到設定尺寸即完成晶體的定向生 長，得到II類相位匹配的30X30X5mm3的片狀KDP晶體。本實施例涉及的自組裝晶體生長裝置的主體結(jié)構(gòu)包括電機I、油封2、熱電偶3、籽晶架4、生長缸5、生長溶液6和支撐架7 ;瓶式結(jié)構(gòu)的透明生長缸5固定在支撐架7的底座上，生長缸5中的70-85%的空間中充有生長溶液6，方體結(jié)構(gòu)的籽晶架4懸空式置于生長缸5中心處，籽晶架4與支撐式固定于支撐架7頂端的電機I直桿式串過生長缸5頂部口處的油封2剛性連接，電機I的轉(zhuǎn)動與籽晶架4連動，油封2中的液體密封油將生長缸與外界隔絕，并保證連接籽晶架的直桿與油封2之間能夠無摩擦的相對轉(zhuǎn)動；生長缸5中內(nèi)側(cè)處直向制有熱電偶3，以便于加熱生長溶液并控制生長溶液的溫度變化；籽晶架4包括有機玻璃質(zhì)的A板和B板，A板框架式嵌套結(jié)構(gòu)扣接B板，通過尼龍螺絲將A板和B板固定牢固；A板和B板之間的空間下部放置片狀籽晶生長，籽晶通過A板和B板之間的夾持力固定，并使生長晶體置于生長溶液6中，在各方向均勻接觸生長溶液6。
權(quán)利要求
1.一種KDP類晶體側(cè)向快速生長方法，其特征在于先選擇自組裝晶體生長裝置，用重結(jié)晶高純KH2PO4和二次蒸餾水配置濃度值分別為27、33、39、46、53克KH2P04/100克水的生長溶液，然后用純KOH將這些不同濃度值的溶液pH值調(diào)至5. 0，測出KH2PO4溶液在pH =5.O時的溶解度曲線，再按照生長缸容積的大小，配置濃度值為50克KH2P04/100克水的生長溶液，將生長溶液的PH值調(diào)至5. 0，對生長溶液進行過濾過熱處理后，將溫度降至飽和點溫度以上2-3°C，將符合II類相位匹配的KDP類晶體的片狀籽晶固定在自組裝晶體生長裝置的籽晶架的A板和B板之間下方中心處，然后放入晶體的生長缸中，待籽晶微溶后，將生長溶液溫度降至飽和點溫度，根據(jù)pH = 5. O的溶解度曲線和生長溶液的體積計算并設定降溫程序，生長初期的降溫速度為O. 5-0. 8°C /d,隨著晶體的長大，降溫速度逐漸增大到I. 0-2. (TC /d，使籽晶架的轉(zhuǎn)速設定為15r/min，采用正-停-反的順序轉(zhuǎn)動方式由電機帶動轉(zhuǎn)動籽晶架，直到晶體生長到設定尺寸完成晶體的定向生長，得到II類相位匹配的片狀KDP晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的KDP類晶體側(cè)向快速生長方法，其特征在于涉及的自組裝晶體生長裝置包括電機、油封、熱電偶、籽晶架、生長缸、生長溶液和支撐架；透明生長缸固定在支撐架的底座上，生長缸中的空間中充有生長溶液，方體結(jié)構(gòu)的籽晶架懸空式置于生長缸中心處，籽晶架與支撐式固定于支撐架頂端的電機直桿式串過生長缸頂部口處的油封剛性連接，電機與籽晶架連動，油封中的液體密封油將生長缸與外界隔絕并保證連接籽晶架的直桿與油封之間能夠無摩擦轉(zhuǎn)動；生長缸中內(nèi)側(cè)處制有熱電偶，加熱生長溶液并控制生長溶液的溫度；籽晶架包括有機玻璃質(zhì)的A板和B板，A板框架式嵌套結(jié)構(gòu)扣接B板，通過尼龍螺絲將A板和B板固定牢固；A板和B板之間的空間下部放置片狀籽晶生長，籽晶通過A板和B板之間的夾持力固定，并使生長晶體置于生長溶液中各方向均勻接觸生長溶液。
全文摘要
本發(fā)明屬于溶液法生長晶體的技術(shù)領域，涉及一種KDP類晶體側(cè)向快速生長方法，選擇自組裝晶體生長裝置，用重結(jié)晶高純KH2PO4和二次蒸餾水配置生長溶液，用純KOH將溶液pH值調(diào)至5.0，測出KH2PO4溶液在pH＝5.0時的溶解度曲線，再配置濃度值為50克KH2PO4/100克水的生長溶液將pH值調(diào)至5.0進行過濾過熱處理后，將降溫至飽和點溫度以上，將片狀籽晶固定在籽晶架AB板之間下方中心處放生長缸中，待籽晶微溶后將生長溶液溫度降至飽和點，根據(jù)溶解度曲線和溶液體積設定降溫程序，采用正-停-反的順序轉(zhuǎn)動籽晶架，到晶體生長到設定尺寸得II類相位匹配的片狀KDP晶體；其生長裝置成本低，制造簡單，晶體生長易控，生長質(zhì)量好，易于加工。
文檔編號C30B29/14GK102618924SQ201210124079
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者姜學軍, 滕冰, 王淑華, 鐘德高, 馬江濤 申請人:青島大學