KDP类晶体侧向快速生长物理机制和缺陷形成机理研究

KDP-type crystal is the only nonlinear optical material currently used for laser fusion project. With the rapid development of high-power laser technology, the demands for high-quality crystals with large cross-section are continuously increasing. This brings new and higher requirement to the research on growth technology of KDP crystal. Existing growth methods of KDP-type crystals allow the free growth of each crystal face. And crystals are finally grown to natural morphology having prism and pyramidal portions. However, there are big angles between the phase-matching directions of frequency conversion devices used in high-power laser and the crystal faces of free growth KDP-type crystals. This leads to very low crystal yield and the high cost of crystal growth. This project proposes to design the special growth device to restrain the free crystal growth, and by changing pH value of growth solution as well as using necessary additives to regulate and control the growth rates of different crystal faces. As a result, the crystals only rapidly grow in two dimensions that along the profiling directions of the phase matching orientation. By further study on the basic physical mechanisms and defects formation, plate crystals that meet the application requirements of various frequency conversions can be directly obtained. The research on this new KDP-type crystal growth technology has important practical values for the shortening of the growth cycle of the large cross-section crystal, improvement of crystal yield and decrease of the costs. Moreover, the study will have some reference meaning to the physical mechanisms research of other related rapid growth crystals.

KDP类晶体是目前唯一可用于激光核聚变工程的非线性光学材料，随着高功率激光技术的快速发展，对大截面高质量晶体的需求不断增加，这对该类晶体的生长研究提出了新的更高要求。现有KDP类晶体生长方法都是让晶体各晶面自由生长，最终得到外形为四棱柱和四棱锥聚体状晶体。而用于高功率激光倍频器件的相位匹配方向，与自由生长KDP类晶体晶面间有较大夹角，导致晶体实际利用率很低、生长成本很高。本课题提出通过自行设计特殊的生长装置来限制晶体各晶面的自由生长，并调节生长溶液pH值和使用必要的添加剂来调控不同晶面的生长速度，使晶体只沿相位匹配方向的侧向二维快速生长，进而深入研究晶体侧向快速生长中的基本物理机制和缺陷形成机理，直接生长出满足不同倍频应用要求的片状晶体。这一KDP类晶体生长新技术的研究对于缩短大截面晶体的生长周期、提高晶体利用率、降低成本将有重要实用价值，对相关晶体快速生长物理机制的研究也有一定借鉴意义。

KDP类晶体是目前唯一可用于激光核聚变工程的非线性光学材料，现有KDP类晶体生长方法都是让晶体各晶面自由生长，最终得到外形为四棱柱和四棱锥聚体状晶体。而用于高功率激光倍频器件的相位匹配方向，与自由生长KDP类晶体晶面间有较大夹角，导致晶体实际利用率很低、生长成本很高。.本课题自行设计并制作了新型KDP晶体定向生长装置，利用籽晶架的特殊设计改变晶体生长习性，限制晶体沿特定方向生长。同时，通过改变生长溶液的pH值来调控晶体沿不同方向定向生长的速度。发现在生长溶液pH=5.0时，KDP晶体柱面生长速度较快，而在pH=4.0时，锥面生长速度较快。在此基础上，通过优化定向生长工艺，探索了KDP晶体沿柱面和锥面定向生长的最佳条件。对定向生长KDP晶体的质量和缺陷做了初步分析，测试了定向生长KDP晶体的透过率图谱和摇摆曲线，发现定向生长KDP晶体的透过率能够达到80%以上，单晶摇摆曲线半峰宽为36sec s，与用传统方法生长的KDP晶体的结果相近。.开展了Yb:YxLu1-xVO4混合激光晶体的原料合成和晶体生长研究，测试得到了晶体沿a向和c向的热膨胀系数和热扩散系数，计算出了混晶的热导率，发现混合晶体的热导率没有显著的降低。测得了晶体的吸收谱，计算了π偏振和σ偏振的吸收截面。测试了晶体的激光性能，在室温下，获得了波长为1022.6–1035.1nm的连续激光输出。利用化学腐蚀法和同步辐射法分析了晶体中的缺陷，发现位错和小角度晶界是晶体中的两种主要缺陷。利用晶界分析中常用的Read—Shockley公式计算分析了晶体中的小角度晶界，证实混晶体中存在伯格斯矢量为[100]的位错。利用提拉法生长出了Ф20×40mm3的高质量Er:Yb: Yb:YCOB晶体，证实其属于单斜晶系，Cm空间群；测试并计算得到晶体在977nm处的吸收截面分别为1.01×10-20 (E//X), 1.22×10-20 (E//Y) 和1.05×10-20 cm2 （E//Z）。利用化学腐蚀法测试了晶体中的缺陷，发现位错在晶体中不均匀分布，晶体中心的质量较好。.在本项目的资助下，项目负责人作为第一作者发表研究论文7篇，其中SCI收录6篇，另外和项目组成员合作发表EI收录论文5篇，申请国家发明专利2项，授权国家发明专利1项，相关成果2015年获山东高等学校优秀科研成果三等奖（项目负责人首位）。