K(DxH1-x)2PO4晶體生長及性能的研究.pdf

1、K(H1-xDx)2PO4晶體是一類性能非常優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體。隨著激光技術(shù)的出現(xiàn)，KDP類晶體得以廣泛的應(yīng)用。在激光核聚變裝置中，采用具有較高的非線性光學(xué)系數(shù)、較高的激光損傷閾值和較寬的透過區(qū)間的KDP晶體對1064nm的基頻光實(shí)現(xiàn)二倍頻光的輸出。由于受到KDP晶體的橫向受激拉曼散射損傷的影響，ICF工程選擇70％-DKDP晶體的Ⅱ類晶片將倍頻出的0.53μm的激光與透射出來的部分1.05μm的激光耦合產(chǎn)生0.35μm的紫外光，從而

2、實(shí)現(xiàn)三倍頻轉(zhuǎn)換。DKDP晶體最重要的應(yīng)用就是其電光性能的應(yīng)用，如電光調(diào)制器和Q-開關(guān)等電光器件的制作。此外12％-DKDP晶體的折返波長恰處于1.05μm波段，可以支持帶寬大于20nm(晶體通光長度10mm)的1.05μm激光的高效二倍頻。目前，國內(nèi)外圍繞著KDP和DKDP晶體的生長性能進(jìn)行了廣泛的研究。但是對于部分氘化程度的K(H1-xDx)2PO4晶體研究甚少。因此，本文系統(tǒng)的研究了不同氘化程度的K(H1-xDx)2PO4晶體的生長

3、動力學(xué)、結(jié)構(gòu)、光譜、光學(xué)性質(zhì)和高溫相變等。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　 1.利用激光偏振干涉法實(shí)時測量系統(tǒng)研究了生長條件和氘化程度對晶體柱面生長速度和死區(qū)的影響，并從晶體生長動力學(xué)包括質(zhì)量擴(kuò)散機(jī)制和生長機(jī)制方面進(jìn)行討論分析。
　　 研究了氘化程度對晶體柱面的生長動力學(xué)的影響。利用螺位錯和二維成核生長機(jī)制對柱面生長速度實(shí)時測量結(jié)果進(jìn)行擬合可知，在低過飽和度區(qū)間晶體的柱面生長主要是由螺位錯生長機(jī)制控制，而在高過飽和度區(qū)間則由

4、二維成核機(jī)制控制。DKDP晶體的動力學(xué)系數(shù)略高于KDP晶體，而兩者均高于部分氘含量的溶液中晶體柱面的生長動力學(xué)系數(shù)。比較低氘化程度的K(H1-xDx)2PO4(溶液氘含量y＜90％)晶體的柱面生長速度發(fā)現(xiàn)，隨氘含量增加，生長死區(qū)和臺階自由能輕微減小。而對于高氘化程度的K(H1-xDx)2PO4(溶液氘含量y≥90％)晶體，臺階自由能略高。這主要是由于影響晶體生長死區(qū)的雜質(zhì)種類和相對濃度變化引起的。
　　 測量了溫度對不同氘化程度

5、的K(H1-xDx)2PO4晶體的柱面生長的影響，發(fā)現(xiàn):低氘化程度的K(H1-xDx)2PO4(溶液氘含量y＜90％)晶體隨著溶液起始飽和溫度的降低，晶體柱面生長死區(qū)明顯減小，生長速度增大。對于DKDP晶體，實(shí)時測量結(jié)果以及二維成核擬合得到的動力學(xué)參數(shù)與上述結(jié)果相反:隨著溫度的降低，晶體柱面生長速度反而增大。這也與DKDP晶體生長時我們經(jīng)常觀察到的現(xiàn)象一致，即隨著生長溫度的降低晶體柱面容易擴(kuò)展，晶體越長越胖。
　　 利用H3PO

6、4調(diào)節(jié)KDP溶液的pH值，研究了不同酸度溶液中晶體柱面生長速度隨過飽和度的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在增大溶液的酸性，死區(qū)減小而過渡區(qū)由于溶液粘度的增大而變寬，當(dāng)溶液pH降低到2.3時，KDP的溶解度明顯增大，死區(qū)減小到0.1℃。
　　 根據(jù)上述結(jié)果，我們分別利用傳統(tǒng)降溫和點(diǎn)籽晶快速生長法在不同溫度下生長了一系列氘化程度的K(H1-xDx)2PO4晶體。
　　 2.利用粉末XRD研究了不同氘化程度的K(H1-xDx)2PO4

7、晶體的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，D原子取代（部分的）H原子并未改變晶體的結(jié)構(gòu)對稱性，而晶胞參數(shù)a隨氘含量增大而增大，但并不呈完全的線性依賴關(guān)系。晶胞參數(shù)c隨氘含量的變化僅有小幅度的增大。高分辨X射線衍射(HRXRD)結(jié)果表明，不同氘化程度的K(H1-xDx)2PO4晶體的結(jié)構(gòu)完整性差異甚小，采用傳統(tǒng)法或在高溫區(qū)間采用快速法生長的晶體具有良好地結(jié)晶完整性。
　　 3.采用V棱鏡法測量了一系列氘化程度的K(H1-xDx)2PO4晶體的折射率。

8、隨著晶體氘含量的增大，晶體的折射率、雙折射率都隨之減小。分別利用Sellmeier方程和線性方程對K(H1-xDx)2PO4晶體的折射率與波長和氘含量進(jìn)行擬合，結(jié)果與測量結(jié)果非常吻合。根據(jù)這些擬合公式可以計(jì)算出任意氘化程度的K(H1-xDx)2PO4晶體不同波長的折射率，為計(jì)算不同氘含量的晶體的非線性光學(xué)系數(shù)提供基本的參數(shù)。同時發(fā)現(xiàn)了一種簡單的利用折射率確定晶體的氘含量的方法。根據(jù)γ63縱向電光效應(yīng)原理，測量了K(H1-xDx)2PO4

9、晶體的半波電壓，并根據(jù)所測得的半波電壓和折射率計(jì)算出了電光系數(shù)γ63。結(jié)果顯示晶體的氘含量與電光系數(shù)γ63基本成線性依賴關(guān)系。
　　 4.利用透過、紅外和拉曼光譜系統(tǒng)的研究了氘化所引起得K(H1-xDx)2PO4晶體光譜的變化。K(H1-xDx)2PO4晶體的X方向比Z方向的透過波段寬。相對于KDP晶體，氘化的晶體紅外波段的透過率隨氘含量逐漸增大，完全氘化的DKDP紅外截止邊擴(kuò)展了0.6μm。在近紅外的基頻波長1064nm時，隨

10、晶體氘化程度的升高，吸收系數(shù)逐漸減小，DKDP晶體在1064nm處幾乎無吸收;晶體在中間波段，倍頻波長532nm處，幾乎無吸收;在紫外波段三倍頻波長355nm時，產(chǎn)生紫外吸收，但是對晶體的氘化程度不敏感。K(H1-xDx)2PO4晶體紅外光譜結(jié)果說明:相對于KDP晶體中的O-H振動，DKDP晶體中的O-D振動引起的吸收頻率減小。KDP-DKDP混晶中，O-H與O-D振動共存， O-H與O-D振動彼此獨(dú)立，無相互作用。KDP晶體，在200

11、-1200 cm-1范圍內(nèi)可以觀察到6個拉曼峰，主要是由PO4陰離子團(tuán)簇的內(nèi)振動引起的。氘化程度大于29％的晶體產(chǎn)生了兩個由O-D振動引起的新的拉曼峰。在K(H1-xDx)2PO4晶體中，隨著晶體氘化程度的增加，振動模發(fā)生紅移現(xiàn)象，這種拉曼位移線性依賴于晶體的氘含量。D原子取代部分的H原子，PO4最強(qiáng)振動模的強(qiáng)度下降，70％-DKDP的散射強(qiáng)度達(dá)到最低，可以有效的抑制在三倍頻過程中的橫向受激拉曼散射。
　　 5.錐光干涉、散射顆

12、粒和激光損傷閾值的測試結(jié)果說明:部分氘化的K(H1-xDx)2PO4晶體的光學(xué)質(zhì)量略差于純的KDP和DKDP晶體的光學(xué)質(zhì)量;傳統(tǒng)生長的K(H1-xDx)2PO4晶體的比快速法生長的晶體的光學(xué)質(zhì)量更好。比較1-on-1和R-on-1兩種測試方式時晶體損傷閾值可以發(fā)現(xiàn)，同一樣品，R-on-1測試方式的損傷閾值是1-on-1方式的1.5-4.3倍，激光預(yù)處理效果明顯。1064nm波長激光，不同氘化程度的晶體損傷閾值的激光預(yù)處理后損傷閾值提高的

13、幅度差不多。晶體激光預(yù)處理后55％-DKDP晶體的損傷閾值仍然比完全氘化的DKDP晶體的閾值小50％以上。測試波長為355nm時，經(jīng)激光預(yù)處理后，55％-DKDP晶體的損傷閾僅比DKDP晶體的損傷閾值小5％。這說明不同頻率的激光對不同種類的晶體缺陷的預(yù)處理效果不同，3ω激光對晶體激光預(yù)處理后晶體的損傷閾值相差無幾。測試了不同部位不同切割方向的晶體抗損傷情況，發(fā)現(xiàn)切片方向?qū)w的抗損傷影響較大。Z切方向的晶片的損傷閾值是Ⅱ類切片方向晶體的

14、1.6倍左右。
　　 6.分別利用熱重分析、高溫介電常數(shù)和熱臺顯微鏡和偏光顯微鏡研究了不同氘化程度的K(H1-xDx)2PO4晶體的高溫相變機(jī)制和高溫相變點(diǎn)與氘化程度之間的關(guān)系。熱重分析結(jié)果說明K(H1-xDx)2PO4晶體于478-481K這個范圍內(nèi)開始分解，D原子取代H原子，并不會導(dǎo)致晶體的熱分解的起始溫度有太大的差異。用介電常數(shù)測量分析了K(H1-xDx)2PO4晶體室溫至475K之間的熱行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn):與Imry等人的理

15、論模型所預(yù)測的結(jié)果一致，K(H1-xDx)2PO4晶體確實(shí)存在高溫相變。第一類相變Tp，相變溫度隨著晶體氘化程度逐漸降低。在KDP及12％-DKDP晶體中還觀察到第二類相變Tl，對晶體氘化程度不敏感。在氘含量為12％-55％的KDP-DKDP混晶中觀察到介電異常點(diǎn)T(l')，在KDP和DKDP晶體中未觀察到。此介電異常點(diǎn)非?？拷嘧僒l，而且與相變Tl相似，對晶體的氘含量不敏感。晶體在相變溫度Tp附近有大量裂紋的產(chǎn)生:KDP晶體達(dá)到相變