СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГРУППЫ KDP НА ЗАТРАВКУ, РАЗМЕЩАЕМУЮ В ФОРМООБРАЗОВАТЕЛЕ
METHOD OF GROWING KDP GROUP MONOCRYSTALS ON NUCLEATING AGENT PLACED IN MOULD

Изобретение относится к способам получения ориентированных монокристаллов, применяемых в лазерной физике, акустоэлектронике, оптоэлектронике.
2
4
2
4
4
2
4
В группу KDP входят монокристаллы дигидрофосфатов щелочных ионов (KHPO, RbHPO и др.) и дигидрофосфат аммония (NHHPO). Монокристаллы группы KDP относятся к ряду наиболее важных монокристаллов, которые используются в устройствах нелинейной оптики [Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. - М. МИСиС, 2000. - 432 с.].
Изобретение позволяет перейти от традиционного технологического процесса, когда при свободном размещении затравки в реакционном объеме кристаллизатора получают кристалл с естественным для данного вещества габитусом, к технологическому процессу, который позволяет получить непосредственно в процессе выращивания экономичный монокристалл-заготовку, близкую по габаритам, форме и ориентации к изготавливаемому оптическому элементу.
В многочисленных публикациях описано и применяется на практике весьма значительный ряд методов и технологий выращивания монокристаллов группы KDP, позволяющих получать совершенные монокристаллы. В основе всех этих технологий лежат известные традиционные способы выращивания монокристаллов из водных растворов. Это метод выращивания водорастворимых монокристаллов при изотермическом испарении растворителя и метод выращивания монокристаллов при охлаждении маточного раствора (Выращивание кристаллов из растворов. / Т.Г.Петров, Е.Б.Трейвус, Ю.О.Пунин, А.П.Касаткин. - Л.: Недра, 1983. - 200 с.).
У кристаллов группы KDP, выращенных традиционными методами, естественная огранка представляет собой комбинацию двух простых форм: тетрагональной призмы {100} и тетрагональной дипирамиды {110}.
При изготовлении оптических элементов из монокристаллов с такой огранкой весьма низка эффективность использования их объема. Это связано с тем, что оптические элементы необходимо изготавливать из наиболее совершенной части монокристалла. Ряд последовательных технологических операций по изготовлению оптического элемента из кристалла (придание необходимой формы, ориентации, размера, шлифовка и пр.) приводят к тому, что в отходы уходит его значительная часть. В отходы неизбежно уходит зона регенерации затравки монокристалла и равная ей по объему часть кристалла с максимальной концентрацией дислокации и неконтролируемых микропримесей. Как правило, уходят в отходы, также замыкающие выращенный монокристалл тетрагональные пирамиды и значительная часть его основного объема - тетрагональной призмы, т.е. большая часть долгорастущего и дорогостоящего кристалла уходит в отходы.
Особенно неэкономично используются объемы выращенных монокристаллов группы KDP при изготовлении оптических элементов для преобразователей частоты лазерного излучения. Это связано с тем, что заготовку оптического элемента - прямоугольный параллелепипед - необходимо также вписать в наиболее совершенную часть монокристалла, причем эта заготовка должна быть расположена под соответствующим для данного монокристалла углом синхронизма (Гурзадян Г.Г., Дмитриев В.Г, Никогосян Д.Н. Нелинейно-оптические кристаллы. Справочник. - М.: Радио и связь, 1991. - 160 с.) к его направлению [001], т.е. при изготовлении нелинейного оптического элемента из монокристалла, выращенного этими способами, первоначально необходимо механическими методами (резка, шлифовка и т.д.) создать базовую плоскость, ориентированную (рентгеновскими методами) относительно направления [001] под углом синхронизма. Дальнейшие последовательные технологические операции, позволяющие получить прямоугольную заготовку оптического элемента, приводят к тому, что и в этом случае в отходы также уходит большая часть монокристалла.
Таким образом, естественная огранка выращенных из раствора монокристаллов группы KDP является препятствием для создания более экономичной и эффективной технологии при изготовлении оптических элементов и, в частности, нелинейных оптических элементов.
Невозможность изготовить оптический элемент, не отправив значительную часть монокристалла в отходы, является принципиальной особенностью монокристаллов группы KDP, выращенных традиционными способами.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ выращивания монокристаллов группы KDP (SU 00000955741, МПК С30В 7/02, 29/14, 10.04.1996). Основной целью этого способа является повышение скорости роста и оптической однородности кристаллов. Это достигается, в первую очередь, выбором кристаллографической ориентации затравки относительно граней призмы (100) или граней пирамиды (101) и выбором оптимальных для этих случаев величины переохлаждения маточного раствора, что, в конечном счете, и обеспечивает достижение поставленной цели. Размещение затравки на дне кристаллизатора точно по его размеру без зазора и в тоже время под углом в интервале 45-90° хотя и позволяет получить кристалл, ориентированный под углом синхронизма относительно направления [001], является скорее серьезным недостатком. При таком размещении затравки весьма велика вероятность появления внутренних механических напряжений, т.к. все четыре боковые грани растущего кристалла ограничены стенками кристаллизатора. Возможность разрушения монокристалла с внутренними механическими напряжениями при извлечении из кристаллизатора или в процессе последующей механической обработки практически неизбежна.
Цель предлагаемого способа выращивания монокристаллов группы KDP - получение монокристалла-заготовки для изготовления нескольких оптических элементов, ориентированных под углом синхронизма с необходимыми размерами и отсутствием внутренних механических напряжений, которые могут возникнуть в процессе его роста.
Технический результат изобретения заключается в создании условий, позволяющих выращивать монокристалл-заготовку, по своим размерам и форме максимально близкую по размерам и форме к изготавливаемым из него оптическим элементам. При этом для того чтобы в процессе роста не возникали механические напряжения в объеме монокристалла, маточный раствор омывает максимально возможное количество свободно растущих граней кристалла.
Этот способ обеспечивается тем, что выращивание монокристаллов группы KDP для нелинейных оптических элементов производится на прямоугольную затравку соответствующего монокристалла и отличается тем, что используют затравку Z-среза, размер которой в направлении [100] определяют одним из меньших размеров (b) апертуры прямоугольного нелинейного оптического элемента, а ее длина (L) в направлении [010] равна сумме проекций высоты (с) и второго (а) большего значения апертуры нелинейного оптического элемента на плоскость (001) и описывается следующей формулой:
c
c
с
L=cSinθ+aCosθ, где θ - угол синхронизма, характерный для каждого из кристаллов группы KDP. Размещают затравку внутри разъемного формообразователя в виде замкнутой рамки, собранного из отдельных планок, каждую из которых устанавливают в следующей последовательности:
на планке основания формообразователя размещают затравку,
вертикально указанной планке устанавливают следующую планку,
c
затем относительно нее под углом синхронизма θ устанавливают другую планку,
последующую планку относительно предыдущей планки размещают под углом 90°,
замыкающую планку устанавливают перпендикулярно планке основания формообразователя, что обеспечивает заданную форму и размеры выращенного монокристалла в виде заготовки.
Изобретение поясняется чертежами, на которых отображены основные элементы и этапы монтажа формообразователя, позволяющего обеспечить необходимый технический результат. Рассматриваются несколько возможных последовательно усложняющихся и последовательно более эффективных вариантов сборки формообразователя (Фиг.2-5).
Первый - базовый вариант (Фиг.2):
c
с
с
- плоская затравка 2, изготовленная из Z-среза монокристалла, с размерами, определяемыми по вышеприведенному принципу, размещается на планке основания 1 собираемого формообразователя. Размер и форма основания соответствуют форме и размеру затравки. Планка 3 устанавливается вертикально относительно основания формообразователя на одном из его меньших по размеру торцев. Длина этой планки определяется высотой дефектной части монокристалла 4 (области зоны регенерации), которая впоследствии уходит в отходы, плюс величина, определяемая соотношением aSinθ. Следующая планка 5 относительно предыдущей устанавливается под углом синхронизма θ, характерным для данного монокристалла. Ее длина равна высоте оптического элемента (с). Образующийся внутренний угол формообразователя равен 180° - θ. Планка 6 относительно предыдущей устанавливается под углом 90°. Ее длина равна большей стороне (а) апертуры оптического элемента. Замыкающая формообразователь планка 7 будет перпендикулярна к основанию формообразователя и соответственно ко второму противоположному торцу затравки.
В этом случае затравка разращивается или в направлении [001] или в направлении . Такая конструкция формообразователя позволяет получить технологичный и экономичный по форме монокристалл-заготовку для дальнейшего использования. Заготовка имеет готовую базовую плоскость под заданным углом синхронизма относительно направления [001] и три перпендикулярные к ней плоскости нелинейного оптического элемента. Завершается изготовление прямоугольного нелинейного оптического элемента механическим удалением неиспользуемых частей выращенного монокристалла - Г, Д и Е.
Следующие три варианта сборки формообразователей, схематически показанные на Фиг.3, 4 и 5, получаются при зеркальном отражении (зеркальная симметрия) относительно осей А-А или Б-Б (Фиг.2). При этом, естественно, вместо внутренних планок-оснований устанавливается затравка.
Второй вариант (Фиг.3).
Весьма часто монокристаллы группы KDP разращивают одновременно и в направлении [001] и в направлении  (в отличии, например, от гексагонального иодата лития, у которого анизотропия скоростей роста в этих направлениях весьма ярко выражена, и такого разращивания, как правило, не производят). В этом случае конструкция формообразователя должна обеспечивать возможность расти кристаллу в вышеуказанных направлениях одновременно. Эти условия можно обеспечить, если при создании формообразователя использовать зеркальное отражение относительно оси Б-Б (Фиг.2). Разращивание затравки в таком формообразователе позволяет получить экономичный монокристалл, из которого можно получить уже две заготовки для изготовления нелинейных оптических элементов.
И при этом варианте размеры плоской прямоугольной вытянутой в направлении [100] затравки рассчитываются по приведенному выше принципу.
Третий вариант (Фиг.4).
Удвоим длину L затравки, рассчитанной в соответствии с вышеприведенным принципом, используем зеркальное отражение относительно оси А-А (Фиг.2) и получим следующую конструкцию формообразователя. Разращивание затравки в этом формообразователе также позволяет получить экономичный монокристалл, из которого можно получить две заготовки для изготовления нелинейных оптических элементов.
Четвертый вариант (Фиг.5).
Удвоенная длина затравки и одновременное зеркальное отражение относительно осей А-А и Б-Б позволяет получить четвертую конфигурацию формообразователя. Из монокристалла, выращенного в таком формообразователе, можно изготовить четыре заготовки для нелинейных оптических элементов, которые аналогичны оптическим заготовкам, получаемым при использовании формообразователя по первому варианту.
Во всех случаях ширина формообразующих планок должна быть несколько больше, чем расчетная толщина выращиваемого монокристалла, чтобы исключить их врастание в монокристалл.
По сравнению с кристаллами, полученными традиционными способами, описанный способ выращивания монокристаллов группы KDP обеспечивает значительные преимущества при использовании этих кристаллов для изготовления оптических элементов:
- удобную технологичную форму выращенных монокристаллов, исключающую целый ряд трудоемких технологических операций при изготовлении оптических элементов;
- возможность получить непосредственно в процессе выращивании ориентированную экономичную монокристаллическую заготовку нелинейного оптического элемента;
- высокую эффективность использования объема монокристалла, т.е. значительное снижение количества отходов при изготовлении оптических элементов для преобразования лазерного излучения;
- высокую эффективность собственно процесса выращивания монокристаллов группы KDP. В стандартном кристаллизаторе можно разместить несколько формообразователей, которые собираются на одном держателе, обеспечивающем равномерное поступление маточного раствора к растущим граням при реверсивном вращении всей системы, т.е. вырастить за один цикл из одного объема маточного раствора несколько монокристаллов.
Способ иллюстрируется следующим примером.
Пример.
2
4
Выращены пять монокристаллов KDP (KHPO) в одном кристаллизаторе. Один без применения формообразователя на традиционной прямоугольной затравке и четыре на затравках, рассчитанных по вышеприведенному принципу с применением формообразователей в соответствии с четырьмя вышеописанными вариантами. Все монокристаллы выращены традиционным методом программируемого охлаждения маточного раствора. Размеры затравок и размеры формообразователей выбраны так, чтобы из совершенной части каждого из монокристаллов можно было изготовить только по одной заготовке для оптического элемента одинакового размера. При этом предусматривались минимальные размеры монокристаллов для одинакового размера оптических элементов. Это обеспечило возможность провести сравнение по эффективности использования объема выращенных монокристаллов и проанализировать их технологические особенности - наличие и количество не требующих предварительной технологической обработки ориентированных плоскостей (граней). Применение формообразователя позволило повысить эффективность использования объема монокристалла до 34% по сравнению с 11% для монокристалла, выращенного традиционным способом. Данные по сравнительному анализу приведены в таблице 1.
Все кристаллы имели характерную для кристаллов группы KDP структуру зоны регенерации затравки и равную ей по высоте характерную зону с повышенным содержанием дислокации, которые в соответствии с предварительным расчетом не попадали в объем изготовленных заготовок оптических элементов. При этом необходимо отметить, что высота зоны регенерации у кристаллов, выращенных на затравках, удлиненных в направлении [010], была значительно меньше и равнялась половине ширины затравки.
Области кристаллов, находящиеся в непосредственной близости от ограничивающих планок формообразователя, видимых дефектов - трещин и захваченного маточного раствора - не имели. Контроль внутренних механических напряжений методом измерения аномальной двуосности показал их практическое отсутствие. Внешние поверхности монокристаллов, которые в процессе выращивания касались планок формообразователей, были блестящие гладкие и не имеют на поверхности выступов и раковин.
Таблица 1
Монокристалл KDP (KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>)
Объем кристалла (мм<sup>3</sup>) V<sub>к</sub>
Объем элемента(ов) (мм<sup>3</sup>)V<sub>эл</sub>
Ко-во элементов (шт.)
Эффект. использов. объема кристаллаV<sub>эфф</sub>=V<sub>эл</sub>/V<sub>к</sub>·100%
Ко-во готовых граней для элемента(ов)
Без формообразователя (прототип)
18163
2000
1
11%
-
С формообразователем Вариант 1
5859
2000
1
34%
4
С формообразователем Вариант 2
11718
4000
2
34%
8
С формообразователем Вариант 3
11718
4000
2
34%
8
С формообразователем Вариант 4
23436
8000
4
34%
16