DKDP系統(tǒng)晶體制備及性質(zhì)研究.pdf

1、慣性受約核聚變（Inertial confinement fusion，ICF）是一種可控制的熱核爆炸，是未來(lái)獲取核能環(huán)保能源最有前途的手段之一。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，ICF工程在解決人類未來(lái)能源短缺的問(wèn)題方面具有實(shí)際的應(yīng)用前景，已經(jīng)受到世界各國(guó)的普遍關(guān)注。強(qiáng)激光頻率轉(zhuǎn)換晶體是ICF系統(tǒng)中高功率激光器的重要光學(xué)元件，盡管目前新型的非線性光學(xué)晶體材料不斷涌現(xiàn)，但綜觀其光學(xué)性能和生長(zhǎng)特性，到目前為止，能滿足ICF研究所需要的高激光損傷閾值大尺寸晶體，也

2、僅有磷酸二氫鉀/氘化磷酸二氫鉀(KDP/DKDP)晶體。DKDP晶體在ICF工程中作為三倍頻晶體最大優(yōu)點(diǎn)在于其可以有效降低高功率密度激光下所產(chǎn)生的受激拉曼散射波(SRS)。但是目前生長(zhǎng)出來(lái)的晶體的激光損傷閾值還是比理論計(jì)算出來(lái)的結(jié)果低一個(gè)數(shù)量級(jí)，這嚴(yán)重限制了激光輸出的能量密度和晶體使用壽命，成為制約慣性約束聚變發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。如何提高DKDP晶體的光損傷閾值一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
　　 激光引起光學(xué)元件的損傷是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程

3、，它由激光參數(shù)和元件性質(zhì)兩方面決定。光學(xué)材料的物理性質(zhì)對(duì)其激光損傷有明顯影響，目前對(duì)它們之間的關(guān)系還未完全了解，但是有些研究結(jié)論還是得到了較普遍的肯定。了解材料和元件的物理參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)激光誘導(dǎo)損傷的可能性非常重要。本文生長(zhǎng)制備了系列氘含量DKDP晶體，并按照“0902”要求利用不同原料和方法生長(zhǎng)了晶體氘含量為80％的DKDP晶體;從DKDP晶體材料力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等基本性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系入手，探討三倍頻DKDP晶體損傷產(chǎn)生的材料影

4、響因素，結(jié)合對(duì)特定激光參數(shù)下DKDP晶體的損傷特性規(guī)律研究，為使用者提供參考。
　　 1.采用點(diǎn)籽晶快速法生長(zhǎng)了系列不同氘含量DKDP晶體，其次采用不同原料、不同生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)了80％DKDP晶體，對(duì)這些晶體的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了研究，同時(shí)還對(duì)系列氘含量晶體的晶胞參數(shù)和結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了分析。
　　 A原料所配置的溶液穩(wěn)定性不高，生長(zhǎng)過(guò)程中容易出雜晶，并且雜晶生長(zhǎng)較快;B原料料所配溶液穩(wěn)定性較好，后期溶液中出現(xiàn)絮狀不溶物，但是溶液

5、中沒有出現(xiàn)雜晶，晶體正常生長(zhǎng);C原料溶液中后期也出現(xiàn)雜晶，但是雜晶生長(zhǎng)速度較慢，對(duì)晶體生長(zhǎng)影響較小。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，原料純度較高時(shí)，雜質(zhì)離子含量低，對(duì)晶體柱面的阻礙作用較小，有利于晶體的快速生長(zhǎng)。
　　 快速生長(zhǎng)的晶體中吸附的雜質(zhì)金屬離子含量要明顯多于傳統(tǒng)法生長(zhǎng)的晶體。傳統(tǒng)晶體中雜質(zhì)金屬離子含量分布較均勻，錐頭和帽區(qū)附近金屬離子含量沒有明顯的差別。而對(duì)于快速生長(zhǎng)的晶體，柱面區(qū)雜質(zhì)金屬離子含量相對(duì)于錐面區(qū)明顯更高。
　　 低

6、氘晶體和高氘晶體可以分別看作是低摻氘KDP晶體和低摻氫DKDP晶體，這說(shuō)明少量的摻雜會(huì)降低晶體的結(jié)構(gòu)完整性。而處于中間濃度的晶體結(jié)晶完整性較好。
　　 2.測(cè)定了點(diǎn)籽晶技術(shù)生長(zhǎng)的系列氘含量DKDP晶體的(001)面、(100)面和三倍頻面在載荷從5g到100g的變化范圍內(nèi)的維氏硬度指數(shù)?；贙DP晶體力學(xué)性質(zhì)分析了不同載荷、不同面上的壓痕。隨著晶體中氘含量的增加，晶體不同面的維氏硬度逐漸較小。這種結(jié)果主要是由于氫鍵在氘對(duì)氫取代之

7、后結(jié)合力變?nèi)跛?。我們認(rèn)為氫鍵對(duì)影響晶體硬度起到主要的作用。由于O-H鍵平行于[100]和[010]方向，不同面的硬度出現(xiàn)了明顯的各向異性。K(H1-xDx)2PO4晶體的加工硬化系數(shù)隨著晶體氘含量的增加而逐漸增大，這跟實(shí)驗(yàn)得到的維氏硬度結(jié)果是相一致的。
　　 3.對(duì)不同氘含量DKDP晶體的熱學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試，包括比熱、熱膨脹、熱導(dǎo)率等。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，受生長(zhǎng)條件的影響，氘含量對(duì)晶體熱學(xué)性質(zhì)的影響不明顯。我們測(cè)試所得的系列氘含量

8、晶體的比熱與理論計(jì)算(135.97 g·mol-1)相差不多，這表明在測(cè)試的溫度范圍之內(nèi)，K(H1-xDx)2PO4晶體的比熱符合杜隆—珀替定律和柯普定律。此外隨著氘含量的增加，晶體的相轉(zhuǎn)變溫度和相變潛熱基本有一個(gè)下降的趨勢(shì)。
　　 隨著溫度的升高，晶體a方向和c方向的熱膨脹系數(shù)先緩慢增大，最后趨于平穩(wěn)。隨著晶體氘含量的增加，晶體的兩個(gè)方向上的熱膨脹系數(shù)比率(c/a)有增大的趨勢(shì)。這表明，在晶體中摻入氘量增大，晶體的各向異性增大

9、，在生長(zhǎng)或者切割過(guò)程中受開裂影響更大。
　　 4.測(cè)試了點(diǎn)籽晶快速法生長(zhǎng)的系列氘含量DKDP晶體的電學(xué)性質(zhì)，包括電導(dǎo)率、介電常數(shù)、彈性常數(shù)、壓電常數(shù)。
　　 DKDP晶體的電導(dǎo)率隨著晶體中氘含量的增加而增大。而且，根據(jù)電導(dǎo)率的變溫測(cè)試結(jié)果，晶體電導(dǎo)活化能隨著氘含量的增加逐漸減小。目前的結(jié)果證實(shí)了氘原子在氫鍵上隧穿頻率要比氫原子小，這可能是導(dǎo)致KDP晶體的電導(dǎo)率在氘取代氫之后增大的原因。
　　 DKDP晶體的介電常

10、數(shù)隨著晶體中氘含量的增加而逐漸增大，沿著a方向的相對(duì)介電常數(shù)大于沿著c方向的介電常數(shù)，但沿著c方向的相對(duì)介電常數(shù)增大的更快。隨著外加電場(chǎng)頻率的增大，各氘含量晶體的相對(duì)介電常數(shù)是逐漸增大的，并且相對(duì)介電常數(shù)ε11比ε33增大的更快。
　　 實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了KDP晶體的彈性順度常數(shù)S11約為31 pm2N-1，這與前人報(bào)道有一定區(qū)別。在所有彈性常數(shù)中S11，S44，和S66相對(duì)較大。而且，隨著晶體氘含量的增加，S11，S44，和S66逐漸

11、的增大，但是S12，S13，和S33沒有明顯的變化。
　　 DKDP晶體的壓電常數(shù)d36隨著晶體中氘含量的增加而增大，但是d14的這種趨勢(shì)很微小。這是由于氘取代氫之后，PO4四面體中P-O鍵長(zhǎng)增大PO4更容易發(fā)生變形所致。隨著氘含量的增加，壓電應(yīng)變常數(shù)e36逐漸增大，e14基本沒有變化。機(jī)電耦合系數(shù)Kij的變化遵循相同的規(guī)律。
　　 5.對(duì)系列氘含量DKDP晶體和不同原料、方法生長(zhǎng)的80％DKDP晶體的光學(xué)性質(zhì)，包括透過(guò)

12、光譜、系列氘含量晶體的拉曼光譜、激光損傷閾值和損傷特性進(jìn)行了研究。
　　 隨著晶體氘含量的增加，晶體的透過(guò)光譜范圍變大，紅外部分透過(guò)向更長(zhǎng)波長(zhǎng)處移動(dòng)，這種變化是由于氫鍵中氫原子被氘原子取代所致，D-O鍵相比于H-O鍵的結(jié)合力更弱。對(duì)于80％DKDP晶體，傳統(tǒng)法生長(zhǎng)的晶體在紫外區(qū)域的透過(guò)率要比快速法生長(zhǎng)的晶體明顯要高。在800～1900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳統(tǒng)法生長(zhǎng)的晶體比快速法生長(zhǎng)的晶體的透過(guò)范圍更寬。
　　 系列氘含量DK

13、DP晶體的偏振拉曼光譜測(cè)試表明，隨著氘含量的增加，(H/D)2PO4-陰離子基團(tuán)內(nèi)振動(dòng)模的拉曼峰出現(xiàn)紅移，這是由于氘取代氫之后P-O鍵的結(jié)合力變?nèi)跛?。此外，隨著晶體中氘含量的增加，X(YY)(X)和X(ZZ)(X)兩種配置下最強(qiáng)峰的峰強(qiáng)呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，在晶體氘含量約為74％時(shí)達(dá)到最小值。從應(yīng)用的角度看，這個(gè)結(jié)果對(duì)選擇何種氘含量的DKDP晶體作為高功率大口徑激光系統(tǒng)中三倍頻晶體有一定的參考價(jià)值。
　　 Z切樣品的閾值高于三倍

14、頻切樣品，我們推測(cè)DKDP晶體的本征力學(xué)性能各向異性和晶體中非球吸收體的存在導(dǎo)致了激光損傷閾值的方向性。DKDP晶體的激光損傷閾值隨著氘化程度的增加而降低，這種結(jié)果歸因于隨著氘化程度增加晶體結(jié)構(gòu)中主要方向上化學(xué)鍵強(qiáng)度的逐漸降低。在相同的生長(zhǎng)溫度下，DKDP晶體的激光損傷閾值與原料（主要金屬雜質(zhì)含量在1ppm以下）的純度關(guān)系不大，但是采用高純?cè)嫌兄诰w均勻性的提高。對(duì)于傳統(tǒng)生長(zhǎng)的晶體，從低密度區(qū)域（靠近錐頭）取出的樣品的激光損傷閾值更

15、高。
　　 1064nm激光作用下，損傷點(diǎn)是由中心點(diǎn)、定向裂紋和周圍微變化區(qū)域組成，中心點(diǎn)空洞尺寸在2～30μn之間，主要為6～8μm。355nm激光作用下?lián)p傷點(diǎn)也是由中心點(diǎn)、周圍微變化區(qū)域組成，偶爾會(huì)存在定向裂紋，中心點(diǎn)的尺寸1～10μm，大部分在5μm以下。相比較1064nm光損傷，355nm光損傷點(diǎn)密度更大，尺寸更小。此外，單晶中激光誘導(dǎo)損傷的形狀有一定規(guī)律，這跟晶體的彈性對(duì)稱性有關(guān)。拉曼測(cè)試表明，表?yè)p傷點(diǎn)的物質(zhì)形態(tài)有一定