连续过滤二维平动法KDP晶体生长实验研究

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磷酸二氢钾(KH2PO4,KDP)晶体是一种以离子键为主非中心对称的水溶性晶体,具有优良的光学特性和较高的激光损伤阈值,易于实现相位匹配,且能够生长出大尺寸的晶体,是惯性约束激光核聚变(ICF)中倍频转换器和电光开关的首选材料。随着国内外激光聚变事业的高速发展,对倍频晶体材料提出了更高的要求,因此,快速生长出高质量大尺寸的KDP晶体变得尤为重要。为了在较短时间内获得大尺寸的晶体,通常使晶体在溶液中作周期性的正反转来增强溶质的对流输运,进而提高晶体的生长速度;但是,这种方法容易引起晶体表面形貌失稳并导致台阶聚并和包裹物的形成,降低晶体的质量。我们知道,晶体表面的对流方式和溶液纯度是影响晶体质量的两个关键因素,为此,本文将晶体的平移运动与溶液的连续过滤相结合,提出了一种“带连续过滤的周期性平移运动法”,该方法既能使晶面在一个周期内实现稳定的可逆剪切流,又能对溶液进行连续过滤,为高质量快速生长晶体提供了可能。采用该方法进行了KDP晶体生长实验,并在不同平动参数下成功生长出了KDP晶体,将所生长出的晶体与“转晶法”进行质量对比,分析其存在差异的原因。本文的主要研究内容和结论如下:(1)对带连续过滤的周期性平移运动系统进行相关设计。根据该系统的性能要求,设计并定制满足要求的生长容器和掣晶托盘;为使溶液实现连续过滤,对过热槽、蠕动泵、囊式过滤器及导管进行了选型。实验前期,对搭建成功的连续过滤系统进行相关的温度测试,并确定出晶体生长过程中溶液的降温速率;拟合出生长温度与过热槽温度之间的关系,为开展晶体生长实验奠定基础。(2)在连续过滤二维平动法中,采用掣晶杆和锥形托盘掣晶生长出五颗KDP晶体,利用转晶法生长一颗,并计算出两种方法下晶体的平均生长速度,发现前者晶体的生长速度高于后者,并随着平动速度的增大其生长速度也在增大。(3)将两种方法所生长出的KDP进行光学透过率、光学吸收值、激光损伤阈值、显微硬度、热稳定性和化学腐蚀方面的性能检测,发现前者的各项性能皆优于后者。(4)在连续过滤二维平动法中,采用掣晶杆掣晶优于锥形托盘掣晶,且晶体质量随着平动速度的增大先提高后降低,在平动速度0.04m/s时晶体质量最高;此外,平动距离的增大有助于提高晶体的激光损伤阈值。
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