大尺寸KDP晶体生长开裂的尺度效应分析

在人工生长大尺寸KDP(磷酸二氢钾,KH2PO4)晶体过程中晶体会发生开裂现象,尤其是晶体生长到400mm左右时晶帽下端容易出现裂纹.为了研究KDP晶体的生长过程中的开裂机制,采用有限元方法模拟该晶体的生长过程,重点分析了晶体在不同生长尺寸的应力场分布规律,结果表明生长过程中晶体内部应力分布存在明显的尺度效应.当KDP晶体生长达到400mm时,晶帽下部受力逐渐由受压状态转变为受拉状态,根据KDP晶体材料抗拉不抗压的性质,此时开裂的机率增大.这一发现为下一步深入研究晶体生长开裂的损伤力学机制和寻找KDP晶体生长中的防裂措施奠定了基础.     

DCTA对KDP晶体的快速生长与光学性能的影响

环己二胺四乙酸(DCTA)作为一种新型添加剂被加入到KDP晶体生长溶液中。采用“点籽晶”快速生长技术, 在掺杂100×10^-6 DCTA的饱和溶液中, 生长了KDP晶体, 生长速度达20 mm/d。研究了这种新型添加剂DCTA对快速生长的KDP晶体的生长习性和光学质量的影响, 并与常用添加剂EDTA的影响效果进行了对比。研究发现, 在KDP晶体生长溶液中添加100×10^-6 DCTA使生长溶液的亚稳区宽度提高了约10℃, 晶体(100)面的生长速度提高了3~10倍; 生长出的晶体在紫外波段的透过率上升了2~8倍, 晶体内部的光散射大大减轻, 激光损伤阈值也有所提高。添加剂DCTA对KDP晶体生长及性能的改善作用比同等浓度的EDTA更加显著。     

KDP/KD*P晶体生长过程中柱面扩展的研究

目前在KDP/KD*P晶体的实际生长过程中,仍以传统降温法为主.在传统降温速度的基础上适当提高降温速度,可以加快KDP/KD*P晶体的生长速度,但与此同时有可能产生柱面扩展.为此,我们对不同生长环境下的KDP/KD*P晶体生长过程中柱面扩展进行了一系列研究.实验中所用KDP原料和去离子水均与生长大口径KDP晶体相同,其它各项条件也尽量模拟大口径KDP晶体生长过程中的实际情况.在晶体生长实验过程中通过研究不同条件下KDP/KD*P晶体的柱面扩展情况来研究柱面扩展对KDP/KD*P晶体光学质量影响的共同特点.通过分析和研究实验数据及晶体生长过程,我们认为在正常生长条件下引起柱面扩展的主要因素有两个溶液的过饱和度和籽晶柱面存在的缺陷.扩展部分的晶体的光学质量与本体部分差别较大,扩展部分对光的透过率在紫外部分下降很快,明显低于本体部分在这一波段的透过率.本体部分和扩展部分对光的透过率在其它波段差别不十分突出.     

快速生长KDP晶体中的包裹体

利用底部热能输入晶体生长装置进行了KDP晶体快速生长,晶体生长速度达25mm/d.利用激光透射成像法、断面显微观察、SEM及电子能谱对快速生长晶体中的各种包裹体进行了观察,分别观察到了平行于生长面的层状包裹及其分布、线形排列的液相包裹以及微观包裹体的形貌、尺度和分布等,讨论了快速生长KDP晶体中包裹体出现的条件,分析了这些包裹体形成的原因.     

紫外倍频晶体K2Al2B2O7的生长与性能

研究了溶液配比和降温速率对K2Al2B2O7(KABO)晶体生长的影响,发现NaF与KABO的适宜比例为2:1,晶体生长的合适降温速率为(0.1~5)℃/d,NaF为合适助熔剂.籽晶的取向也影响晶体的质量,[110]方向是KABO晶体生长的最佳生长方向;采用顶部籽晶技术,以NaF为助熔剂可生长出尺寸为50 mm×20 mm×17mm、重30 g的高光学质量KABO透明单晶.晶体对波长2500nm以上的光表现出各向异性吸收,紫外截止边为180nm.用V型棱镜法测出的KABO晶体折射率拟合出了Sellmeier方程,计算了SHG相位匹配范围,一类相位匹配最短倍频波长为225.5 nm.KABO晶体的266 nm SHG相位匹配角为58.1°.长度为3.6 mm的晶体Nd:YAG激光器四倍频输出能量转换效率为12.3％.     

金属离子对KDP晶体生长的影响

回顾了过去几年人们对金属离子对KDP晶体生长影响的研究进展,并报道了我们对Fe3+和Sn4+在不同条件对KDP晶体生长影响的定量研究结果.在低过饱和度下,Fe3+掺杂浓度＜3.0×10-5可以提高溶液的稳定性,并且对KDP晶体的生长形态和光学质量基本没有影响.同时,研究发现即使少量Sn4+的加入都可以显著地提高溶液的稳定性,但Sn4+掺杂浓度为1.0×10-5时,晶体就已经严重楔化.     

喷流转晶法KDP晶体生长系统的流动与传质模拟

提出了一种通过锥顶喷流改善KDP锥面过饱和度的晶体生长方法。采用有限体积法和滑移网格技术,对传统转晶法及喷流转晶法的KDP晶体生长过程进行了数值模拟。展示了两种生长方式下晶体表面过饱和度时均分布云图及均方差,分析了不同转速、不同喷流速度、不同晶体尺寸对晶面时均过饱和度及均方差的影响。结果表明:相比于传统转晶法,喷流转晶法晶体的锥面过饱和度提高且表面均匀性增加。提高喷流速度可以进一步提高锥面过饱和度,但其均方差却呈现先减小后增大的变化。旋转速度的增加能提高锥面过饱和度并减小其均方差。此外,晶体尺寸也会在一定程度上影响喷流的效果。     

垂直Bridgman法生长CaF2单晶传热过程的数值分析

采用有限元法对大尺寸氟化钙单晶的生长过程进行了传热分析,准稳态模型简化模拟计算过程.研究了梯度区不同的温度梯度对界面形状和晶体生长速度的影响,讨论了辐射传热对晶体生长过程传热的影响.研究表明:晶体生长过程中界面凸度发生变化;晶体生长速率与坩埚下降速率不一致;25 K/cm为合适的梯度区温度梯度;晶体内部辐射传热对单晶生长传热过程有重要影响.计算结果表明,3个时期的固相等温线的曲率小于液相的.根据数值模拟结果进行了晶体生长实验,生长出的晶体完整,透明,无宏观缺陷.     

SAPMAC法长蓝宝石晶体的温场设计、工艺分析与控制

采用SAPMAC法, 以a向为结晶取向, 生长出φ 240mm ×210mm, 重27.5kg的完整透明的蓝宝石单晶. 从理论上探讨了缺陷密度及晶体开裂与温度分布、生长速率、冷却速率等晶体生长工艺参数之间的关系. 设计了SAPMAC法生长大尺寸晶体的最佳温场分布、 工艺控制. 利用专用设备加工出大尺寸晶棒、板状窗口, 并测试了标准样品的红外透过性能.     

Cr3+掺杂对快速生长KDP晶体的生长习性和光学性能的影响

采用快速法生长了掺杂不同Cr3+浓度的KDP晶体,测试了KDP晶体(100)面在不同Cr3+掺杂浓度下的生长速度及死区,表征了Cr3+掺杂的KDP晶体的Cr3+元素分布、透过光谱、散射颗粒分布和光损伤阈值.实验表明Cr3+易吸附在晶体(100)面,从而增大了(100)生长死区,并降低了(100)面生长速度.Cr3+使快...     

添加剂DTPA对KDP晶体快速生长及性能的影响研究

在添加1×10^-4 (mol/mol KDP) 二乙烯三胺五乙酸(DTPA)的溶液中, 利用“点籽晶”快速生长法生长了KDP晶体. 实验发现, 添加少量DTPA即可使不同饱和温度下的KDP生长溶液的亚稳区宽度均得到提高. 利用激光偏振干涉装置研究了不同浓度的DTPA对KDP晶体(100)面生长动力学的影响. 发现随DTPA掺杂量增加, 临界过饱和度(死区)一直降低, 生长速度则是先增加经过一个最大值后减小. 表征了晶体的光学透过率和晶体内部的杂质金属离子含量, 发现掺杂1×10^-4 (mol/mol) DTPA大幅提高了快速生长的KDP晶体在紫外区的透过率, 并有效地减少了进入晶体内部的杂质金属离子含量.     

L-丙氨酸掺杂下KDP晶体成核特性及生长实验研究

通过实验测定了L-丙氨酸掺杂下KDP溶液的亚稳区和诱导期,根据经典成核理论计算了晶体成核的热力学和动力学参数,分析了L-丙氨酸对KDP溶液成核特性的影响。结果表明,随着掺入的L-丙氨酸浓度的增大,KDP的溶解度减小,亚稳区变宽,诱导期变长,溶液更加稳定。采用吊晶法进行了KDP晶体生长实验,发现其(100)面法向生长速度随掺杂浓度增大而减小,在过饱和度σ>0.04时,晶体(100)面的生长以二维成核生长机制为主。     

Investigation on (100) face of KDP crystal poisoned by MoO4 2? impurity

Potassium dihydrogen phosphate (KDP) single crystals doped with molybdate (MoO₄ ²⁻) were grown via the conventional temperature cooling and rapid growth methods, respectively. MoO₄ ²⁻ made KDP crystals tapering for conventional temperature cooling method. When KDP crystals were grown by rapid growth method, MoO₄ ²⁻ could induce liquid inclusions and simultaneous crystals. The measurement on growth rates indicated that MoO₄ ²⁻ broadened the dead zone and decreased the growth rate of (100) face of KDP crystals. The growth kinetic analysis in terms of two-dimensional nucleus and screw dislocation models implied that the energetic parameter γ/kT decreased with an increase of MoO₄ ²⁻ concentration. The influence of MoO₄ ²⁻ growth steps on (100) face of KDP crystal was observed through ex situ AFM technique. It gave evidence that MoO₄ ²⁻ could postpone the step bunching and make the step edge curving and knaggy to reduce the edge free energy, which was in agreement with the growth kinetics calculations. Additionally, the poisoned mechanism of MoO₄ ²⁻ and Fe³⁺ on step morphologies was detailed contrasted. The interaction process was discussed according to electro negativity analysis, which indicated MoO₄ ²⁻ (actually were HMoO₄ ⁻ and H₂MoO₄) could be absorbed onto (100) face through charge-assisted hydrogen bonds and caused more Mo element distributed in prismatic sector.     

实时控制过饱和度降温法生长KDP晶体

用变压器型电导仪实现了ＫＤＰ晶体生长过程中溶液的浓度和过饱和度的实时测量与控制,测量精度±０．０３ｇ ＫＤＰ／１００ｇ Ｈ_２Ｏ（±０．１０％相对过饱和度）,控制精度与测量精度相当．过饱和度实时控制系统提供了一种方法,可以研究在不同工艺条件生长ＫＤＰ晶体时,过饱和度与晶体生长和性能的关系．用分析纯原料生长ＫＤＰ晶体,发现随着过饱和度的增大,晶体的生长速度加快,晶体的均匀性降低．过饱和度实时控制系统可以使ＫＤＰ晶体在相对恒定的过饱和度下生长,提高了晶体生长的均匀性,抑制了生长层和散射颗粒的产生,有利于提高晶体的光学透过率和光伤阈值．     

KDP晶体生长习性与快速生长研究

发现由五氧化二磷合成的KDP晶体生长原料中含有大量还原性亚磷酸盐杂质．实验表明,亚磷酸盐对晶体锥面生长有显著的抑制作用．低浓度时造成柱面扩展,在高浓度时则使整个晶体的生长速度变慢．这种原料以适当方法提纯后,用“点籽晶”技术进行快速生长实验,平均生长速度达到13．7mm／天．     

On the growth of KDP and KDP:Ni single crystals by the gel technique

Kinetic aspects of KDP and KDP:Ni single crystal growth in the gel technique are examined; the growth is controlled by volume diffusion. The growth rates of KDP and KDP:Ni are in the same range as those frequently encountered in industrial crystallization.     

硫酸盐掺杂导致KDP晶体开裂的研究

采用传统降温法生长了掺杂不同浓度的SO42-离子KDP晶体,研究分析了晶体的宏观缺陷及开裂形式,从晶体生长角度初步分析了硫酸盐掺杂导致KDP晶体开裂的主要原因。实验表明,随着SO42-离子掺杂浓度的增大,KDP晶体的主要开裂形式是垂直于生长层{101}面的裂纹;晶体中裂纹存在的区域都分布有大量层层平行于生长层的母液包藏。随着SO42-离子掺杂浓度的进一步增大,晶体内包藏呈云雾状分布,裂纹不规则,晶体质量严重下降,透明度降低。