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阴离子掺杂对KDP晶体生长及其性能影响的研究

作　者: 张建芹
导　师: 王圣来
学　校: 山东大学
专　业: 材料学
关键词: KDP晶体晶体生长光散射透过率电导
分类号: O782
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

KDP／DKDP晶体是一种光学性能非常优良的非线性晶体，其生长研究已经有70多年的历史，是一种经久不衰的水溶性晶体之一；被广泛应用于激光变频、电光调制和快速光开关等领域。近些年来，随着ICF的迅速发展，高激光损伤阈值特大尺寸的KDP晶体与其性能的研究，在国际上又进入了一个新阶段，尽管目前新型的非线性光学材料不断涌现，但观其综合的非线性光学性能，尤其是所要求的特大尺寸晶体，到目前为止，能用于激光核聚变等高功率系统中的晶体，也仅仅只有KDP晶体，正因为如此，生长特大尺寸的高激光损伤阈值的KDP晶体研究，当前在国内外均受到重视。激光核聚变应用中不仅要晶体有较大的尺寸，而且要有求有较高的光学质量（高的光伤阈值，低的光学吸收，高的光学均匀性和良好的透过波段等）。为了给ICF工程提供足够的晶体，同时为了提高晶体的利用率，目前各国正在努力发展快速生长技术。这一技术对原料、生长设备及生长条件要求比较严格，所以大尺寸KDP和DKDP晶体在国内还是以传统降温法为主。KDP晶体的质量好坏与其生长工艺有很大关系，溶液中的杂质、过饱和度的大小、溶液的稳定性、晶体生长的速度和温度，都会对晶体的质量产生影响。明确KDP晶体中各类杂质影响机制，减轻或消除有害杂质影响一直是研究的一个主要方面。从文献报道来看，关于阳离子杂质研究的报道较多，阴离子杂质要少一些。这些杂质对KDP晶体的生长习性和光学质量产生很大影响。本论文采用传统降温法和“点籽晶”快速生长法生长了KDP晶体，进行了硫酸盐（K₂SO₄），硝酸盐（KNO₃）和卤盐（KCl）掺杂，研究了SO₄^2-、NO₃^-和Cl^-离子对KDP晶体生长习性、光散射、透过光谱、光学均匀性以及电导率的影响，通过超显微法和ICP等方法测量和观察了晶体中的光散射和杂质元素的含量，测量了不同阴离子掺杂下KDP晶体的透过光谱和电导，并对其影响机制和原因进行了分析。本论文首先结合晶体的生长，研究了SO₄^2-、NO^3-和Cl^-对晶体溶液稳定性、生长速度、形态及应力缺陷等生长习性的影响。溶液的稳定性是KDP晶体生长的基础，它不仅关系到晶体的生长能否顺利进行，还影响到晶体的质量。通过研究分析发现，三种阴离子杂质掺杂到一定浓度时，生长溶液均会出现杂晶，稳定性受到破坏。硫酸盐掺杂对晶体的生长速度和形态产生较大的影响，高浓度掺杂时，晶体出现开裂、包臧和添晶等缺陷；通过硫酸盐掺杂KDP晶体的X射线衍射图显示，硫酸盐掺杂后晶体的结构没有发生很大的变化。硝酸盐掺杂导致晶体成帽变得困难，柱面出现扩展。卤盐掺杂对KDP晶体的生长影响较小。KDP晶体中的散射颗粒是衡量其质量优劣的一个重要指标，散射颗粒的出现能引起晶体的光损耗，甚至引起在强光下的破坏。有证据已表明晶体中的散射颗粒是造成激光损伤阈值低的潜在因素。散射颗粒对晶体的透过率，均匀性等方面也有影响。SO₄^2-掺杂晶体中的散射颗粒的密度随其掺杂浓度增加有所增大，但散射颗粒的数量增加程度较小。硝酸盐和卤盐掺杂加剧了传统降温法所得晶体的光散射，散射重，散射颗粒密度高；但是在“点籽晶”快速生长法所得晶体中，柱面和锥面生长区的散射颗粒均较少，与纯KDP晶体试样相比，变化不大。KDP晶体的透过波段一般认为0.176-1.5μm，可对波长为1.064μm激光实现二倍频和三倍频。通过分析掺杂晶体的透过性能，我们发现低浓度硫酸盐掺杂时，KDP晶体的透过光谱变化不大；高浓度掺杂时，传统降温法晶体在紫外波段的透过率较纯KDP晶体降低很多。对于“点籽晶”快速生长法所得晶体，锥面生长区的透过光谱的变化规律与传统降温法晶体的相类似，柱面生长区的透过率在紫外波段下降很快，截止波长为300nm。NO₃^-和Cl^-掺杂对KDP晶体的透过率无明显影响。KDP晶体中存在的应力，会引起应力双折射和折射率梯度，降低晶体的光学均匀性。我们发现，硫酸盐掺杂导致晶体出现大量宏观缺陷，一定程度降低了KDP晶体的均匀性。通过测量晶体的锥光干涉图来研究了晶体的光学均匀性，锥光干涉图中黑十字的畸变说明高浓度硫酸盐掺杂时晶体的均匀性降低。电导在国外是衡量DKDP晶体质量的一个关键指标，通过研究晶体材料的电导性质可以获知其内部化学缺陷的信息，对于KDP晶体也是很重要的，它决定了KDP晶体在电光开关中的应用。硫酸盐掺杂后其电阻率随着掺杂浓度增大而降低，电导率随着掺杂浓度的增大而增加，主要是硫酸盐掺杂后晶体内部产生空位等微观缺陷，使晶体更易导电所致。NO₃^-和Cl^-离子掺杂后，KDP晶体的电阻率和电导率变化不大。总之，本论文第一次比较系统地研究了SO₄^2-、NO₃^-和Cl^-三种阴离子掺杂对KDP晶体的生长和光学质量产生的影响，其中SO₄^2-对KDP晶体的影响较大，我们认为，这是由于SO₄^2-具有四面体结构，较强的电负性以及氢键结合能力都使SO₄^2-较易进入晶体并占据生长格位，从而对晶体的生长和性能产生较大影响。此外，发现尺寸较小的NO₃^-和Cl^-加重了晶体中的光散射。因此，在KDP晶体生长中必须严格控制SO₄^2-、NO₃^-和Cl^-的浓度。本论文的工作对大尺寸KDP晶体的生长，解决晶体生长中出现问题，以及晶体生长的基础工作都具有一定意义。

全文目录

中文摘要  5-8
ABSTRACT  8-11
第一章绪论  11-23
  1.1 概述  11-13
  1.2 KDP晶体在惯性约束核聚变(ICF)中的应用  13-15
  1.3 研究现状  15-18
  1.4 本论文的主要工作设计思路及安排  18-20
  参考文献  20-23
第二章阴离子掺杂对KDP晶体生长的影响  23-39
  2.1 晶体生长  23-25
  2.2 SO_4~(2-)掺杂对KDP晶体生长的影响  25-33
  2.3 NO_3~-掺杂对KDP晶体生长的影响  33-35
  2.4 Cl~-掺杂对KDP晶体生长的影响  35-36
  2.5 本章小结  36-37
  参考文献  37-39
第三章阴离子掺杂对KDP晶体光散射的影响  39-50
  3.1 散射颗粒的研究和观察方法  39-40
  3.2 阴离子掺杂对晶体光散射的影响  40-45
  3.3 分析讨论  45-46
  3.4 本章小结  46-48
  参考文献  48-50
第四章阴离子掺杂对KDP光学性质的影响  50-62
  4.1 实验  50
  4.2 阴离子掺杂对晶体透过光谱的影响  50-58
  4.3 阴离子掺杂对晶体光学均匀性的影响  58-60
  4.4 本章小结  60-61
  参考文献  61-62
第五章阴离子掺杂对KDP晶体电导的影响  62-68
  5.1 电导测量  62-63
  5.2 测量结果  63-66
  5.3 分析与讨论  66
  5.4 本章小节  66-67
  参考文献  67-68
第六章结论  68-70
  6.1 本论文的主要结论  68-69
  6.2 需要进一步研究的工作  69-70
硕士学习期间发表的文章  70-71
致谢  71

阴离子掺杂对KDP晶体生长及其性能影响的研究

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