Способ быстрого выращивания кристаллов типа KDP со стержневидной затравкой
METHOD FOR RAPID GROWTH OF KDP-TYPE CRYSTALS WITH A ROD-SHAPED SEED

Данная заявка является продолжающей заявку PCT/CN2020/076923, поданную 27 февраля 2020 г., которая притязает на приоритет китайской заявки № CN 201910283598.2, поданной 10 апреля 2019 в Китае. Содержание и предмет изобретения международной заявки PCT и китайской приоритетной заявки включены в данный документ путем ссылки.
Настоящее изобретение относится к кристаллу типа KDP, в частности, к способу быстрого выращивания кристаллов типа KDP со стержневидной затравкой, цель которого - быстро выращивать кристаллы типа KDP с хорошими свойствами при его резке и малыми механическими напряжениями во время роста.
Кристаллические материалы дигидрофосфат калия/дидейтерий фосфат калия (KDP/DKDP) широко используются в производстве генераторов второй гармоники и электрооптических устройств благодаря их большому нелинейно-оптическому коэффициенту, широкой полосе пропускания и превосходной оптической однородности. Лазерные устройства термоядерного синтеза с инерционным удержанием плазмы (inertial confinement fusion, ICF) в разных странах требуют большого количества кристаллов типа KDP высокого качества и большого диаметра; кристалл KDP используется как оптический переключатель и элемент для генерации второй гармоники, а кристалл DKDP используется как элемент для генерации третьей гармоники. Однако, кристаллы типа KDP, выращенные по существующей технологии, чаще всего имеют дефекты в виде низкого качества кристалла, низкого форматного соотношения и др., которые в дальнейшем приводят к тому, что кристалл типа KDP имеет плохие свойства при его резке, предрасположенность к формированию призменно-пирамидальной поверхности и низкое качество призменно-пирамидальной части поверхности кристалла, что является недостатком, ограничивающим качество кристалла в целом. Заявка на патент Китая CN 201210102338.9, опубликованная как Публикация заявки на патент Китая № CN 103361712 A, описывает кристаллодержатель для выращивания кристалла типа KDP с большим сечением и способ его выращивания. В соответствии с кристаллодержателем, описанном в данном раскрытии изобретения, верхняя поперечная пластина и нижняя поперечная пластина являются структурами пластинчатой формы, а маточный раствор кристалла может быть подвержен сильным возмущениям в процессе вращения во время роста кристалла, что ухудшает качество кристалла. В соответствии с раскрытием изобретения, затравочный кристалл закрепляется в центре нижней поверхности верхней поперечной пластины или верхней поверхности нижней поперечной пластины, но при выращивании кристалла применяется только вращение без перемешивания раствора, что вызывает неравномерный рост кристалла; а когда кристалл вырастает настолько, что соприкасается с противоположной поперечной пластиной, может произойти столкновение при контакте между кристаллом и поперечной пластиной, что приведет к росту гибридного кристалла. Заявка на патент Китая CN 201710987729.6, опубликованная как Публикация заявки на патент Китая № CN 107805844 A, описывает способ выращивания ограниченного кристалла типа KDP со стержневидной затравкой, причем во время роста возникает высокое механическое напряжение, так как в процессе роста затравочный кристалл подпирается сверху и снизу, что создает затруднения для роста; а также необходимый для этого процесса затравочный кристалл имеет большую высоту, что усиливает затруднения для роста кристалла.
Чтобы устранить проблемы существующих способов выращивания кристаллов типа KDP, настоящее изобретение направлено на создание способа быстрого выращивания кристаллов типа KDP со стержневидным затравочным кристаллом. Данный способ подходит для быстрого выращивания кристаллов типа KDP при низком механическом напряжении во время роста; в процессе роста, кроме верхнего конца, на котором происходит свободный рост с образованием пирамиды, все грани роста являются гранями призмы, а среда, в которой происходит рост каждой грани, практически одинакова и имеет высокую оптическую однородность. К тому же элемент из кристалла типа KDP без призменно-пирамидальной поверхности может быть вырезан из призматической грани, и кристалл типа KDP, полученный способом по данному изобретению, имеет хорошие свойства при его резке во время вырезания элемента для генерации третьей гармоники.
Данное изобретение направлено на создание способа быстрого выращивания кристаллов типа KDP со стержневидной затравкой, включающего в себя:
(1) изготовление емкости для выращивания кристалла, при этом двигатель установлен в верхней части емкости для выращивания, а соединительный стержень кристаллодержателя присоединяется к нижнему концу вращающегося вала двигателя;
(2) изготовление кристаллодержателя для выращивания кристалла, при этом кристаллодержатель включает в себя верхнюю перекладину, поддон, соединительный стержень, боковые несущие стержни и две лезвиеобразные перемешивающие лопасти; соединительный стержень закрепляется по центру верхней перекладины; нижние концы боковых несущих стержней диаметрально противоположно закреплены на двух краях поддона, а верхние концы боковых несущих стержней прикреплены к двум концам верхней перекладины; лезвиеобразные перемешивающие лопасти имеют лезвиеобразную форму и закреплены на боковых несущих стержнях; две лезвиеобразные перемешивающие лопасти, боковые несущие стержни и верхняя перекладина располагаются в одной вертикальной плоскости; центр верхней поверхности поддона - это место крепления стержневидного затравочного кристалла; все соединения выполнены плавными, чтобы обеспечить гладкость;
(3) изготовление стержневидного затравочного кристалла с направлением [001] в вертикальном направлении, при этом высота стержневидного затравочного кристалла меньше, чем высота боковых несущих стержней кристаллодержателя, а длина по горизонтали и диапазон ширины стержневидного затравочного кристалла равны 5-15 мм;
(4) установка поверхности нижнего конца стержневидного затравочного кристалла в центре верхней поверхности поддона кристаллодержателя;
(5) подготовка маточного раствора для выращивания кристалла с точкой насыщения от 40 до 70°C;
(6) помещение кристаллодержателя с закрепленным в нем стержневидным затравочным кристаллом в печь для предварительного нагрева на время от 4 до 12 часов, при этом температура предварительного нагрева является температурой точки насыщения маточного раствора;
(7) помещение кристаллодержателя с закрепленным в нем стержневидным затравочным кристаллом в подготовленный маточный раствор, присоединение соединительного стержня кристаллодержателя к вращающемуся валу двигателя, запуск двигателя и установка диапазона скорости вращения равным от 10 до 50 об./мин, при этом режим вращения состоит из цикла: вращение в прямом направлении - 25 с, замедление - 2 с, остановка - 1 с, ускорение в обратном направлении - 2 с, вращение в обратном направлении - 25 с, замедление - 2 с, остановка - 1 с, ускорение в прямом направлении - 2 с, «с» обозначает секунды;
(8) нагрев маточного раствора до температуры, на 5-15°C превышающей температуру точки насыщения, для обработки перегревом, чтобы четыре стороны стержневидного затравочного кристалла полностью растворились, но не разломились, охлаждение, чтобы степень перенасыщения маточного раствора была между 5 и 15%, таким образом реализуя быстрый рост кристалла на стержневидном затравочном кристалле и получение кристалла типа KDP.
Кристалл типа KDP - это кристалл KDP или кристалл DKDP.
На этапе (2) верхняя перекладина представляет собой планку с гладким краем, соединительный стержень представляет собой круглый полый стержень, поддон представляет собой круглую пластину.
На этапе (2) способ соединения - сварка.
Данное изобретение имеет следующие технические эффекты:
В способе быстрого выращивания кристаллов типа KDP со стержневидной затравкой по настоящему изобретению нижний конец стержневидного затравочного кристалла ограничивается поддоном, а верхний конец является свободным для роста в форме пирамиды. В то же время четыре поверхности призмы в дух направлениях [100] и [010] могут расти, не испытывая проблем с возникновением механического напряжения в процессе роста кристалла, и все вырезаемые оптические элементы имеют хорошие оптические свойства. Из-за того, что в процессе роста четыре грани призмы, находящиеся в очень похожих условиях роста, растут одновременно, и применяется перемешивание при помощи лезвиеобразной перемешивающей лопасти в процессе роста кристалла, вырезанные оптические элементы имеют высокую оптическую однородность. Благодаря уникальному свойству угла среза элемента для генерации третьей гармоники из кристалла KDP, кристалл, выращенный способом по данному изобретению, имеет хорошие свойства при его резке во время вырезания элемента для генерации третьей гармоники, и площадь наибольшего элемента для генерации третьей гармоники, который можно вырезать, может быть известна заранее исходя из величины горизонтального размера выращенного кристалла.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ
На Фиг. 1 в сборе показаны емкость для выращивания и кристаллодержатель, используемые в способе быстрого выращивания кристаллов типа KDP со стержневидной затравкой по настоящему изобретению.
На Фиг. 2 показан кристаллодержатель, используемый в способе быстрого выращивания кристаллов типа KDP со стержневидной затравкой по настоящему изобретению.
На Фиг. 3А-3Е показана лезвиеобразная перемешивающая лопасть и несущие боковые стержни, используемые в способе быстрого выращивания кристаллов типа KDP со стержневидной затравкой по настоящему изобретению, где на Фиг. 3A показана сборка лезвиеобразной перемешивающей лопасти и несущих боковых стержней; на Фиг. 3B показан вид спереди лезвиеобразной перемешивающей лопасти; на Фиг. 3C показан вид слева лезвиеобразной перемешивающей лопасти; на Фиг. 3D показан вид справа лезвиеобразной перемешивающей лопасти; на Фиг. 3E показан вид сверху несущего бокового стержня, используемого в способе по данному изобретению.
На Фиг. 4 показан способ вырезания множества элементов для генерации третей гармоники из кристалла типа KDP, выращенного с помощью способа быстрого выращивания кристаллов типа KDP со стержневидной затравкой по настоящему изобретению.
Номера позиций, используемые на чертежах, обозначают следующие структурные элементы: 1 - емкость для выращивания; 2 - маточный раствор; 3 - кристаллодержатель; 4 - вращающийся вал; 5 - двигатель; 6 - соединительный стержень; 7 - верхняя перекладина; 8 - боковой несущий стержень; 10 - лезвиеобразная перемешивающая лопасть; 12 - поддон; 13 - стержневидный затравочный кристалл; 14 - кристалл типа KDP; 15 - элемент для генерации третьей гармоники.
Подробное описание данного изобретения ведется через описание его вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые рисунки, которые не должны рассматриваться как ограничение объема притязаний настоящего изобретения.
Пример 1: быстрое выращивание кристаллов KDP со стержневидной затравкой.
Быстрое выращивание кристаллов KDP со стержневидной затравкой включает в себя следующие этапы, как показано на Фиг. 1, 2 и 3A-3E:
(1) изготовление емкости 1 для выращивания кристалла, при этом двигатель 5 установлен в верхней части емкости 1 для выращивания, а соединительный стержень 6 кристаллодержателя 5 присоединяется к нижнему концу вращающегося вала 4 двигателя 5;
(2) изготовление кристаллодержателя 3 для выращивания кристалла: при этом кристаллодержатель 3 включает в себя верхнюю перекладину 7, поддон 12, соединительный стержень 6, боковые несущие стержни 8 и 9 и две лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10 и 11; верхняя перекладина 7 представляет собой планку с гладким краем; соединительный стержень 6 представляет собой круглый полый стержень, закрепленный по центру верхней перекладины 7; поддон 12 представляет собой круглую пластину; нижние концы боковых несущих стержней 8 и 9 диаметрально противоположно приварены на двух краях поддона 12, а верхние концы боковых несущих стержней 8 и 9 приварены к двум концам верхней перекладины 7; лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10 и 11 имеют лезвиеобразную форму и приварены на боковых несущих стержнях 8 и 9; две лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10 и 11, боковые несущие стержни 8 и 9 и верхняя перекладина 7 располагаются в одной вертикальной плоскости; центр верхней поверхности поддона 12 - это место крепления стержневидного затравочного кристалла; все соединения выполнены плавными, чтобы обеспечить гладкость;
(3) изготовление стержневидного затравочного кристалла KDP 13 с [001] в вертикальном направлении: при этом высота стержневидного затравочного кристалла KDP 13 меньше, чем высота боковых несущих стержней 8 и 9 кристаллодержателя 3, а длина по горизонтали и диапазон ширины стержневидного затравочного кристалла KDP 13 равны 5 мм;
(4) установка поверхности нижнего конца стержневидного затравочного кристалла KDP 13 в центре верхней поверхности поддона 12 кристаллодержателя 3;
(5) подготовка маточного раствора 2 для кристалла KDP с точкой насыщения 40°C;
(6) помещение кристаллодержателя 3 с закрепленным в нем стержневидным затравочным кристаллом KDP 13 в печь для предварительного нагрева на 7 часов, при этом температура предварительного нагрева составляет 40°C;
(7) по завершении предварительного нагрева, помещение кристаллодержателя 3 с закрепленным в нем стержневидным затравочным кристаллом KDP 13 в подготовленный маточный раствор KDP 2, присоединение соединительного стержня 6 кристаллодержателя 3 к вращающемуся валу 4 двигателя 5, запуск двигателя 5 и установка диапазона скорости вращения равным 30 об./мин; при этом режим вращения состоит из цикла: вращение в прямом направлении - 25 с, замедление - 2 с, остановка - 1 с, ускорение в обратном направлении - 2 с, вращение в обратном направлении - 25 с, замедление - 2 с, остановка - 1 с, ускорение в прямом направлении - 2 с, «с» обозначает секунды;
(8) нагрев маточного раствора KDP 2 до 50°C для обработки перегревом, таким образом, чтобы четыре стороны стержневидного затравочного кристалла KDP 13 полностью растворились, но не разломились, затем охлаждение, чтобы степень перенасыщения маточного раствора KDP 2 была всегда 15%, таким образом реализуя быстрый рост кристалла KDP на стержневидном затравочным кристалле KDP 13 и получение кристалла KDP 14.
В частности, как показано на Фиг. 4, когда вырезается элемент 15 для генерации третьей гармоники, угол синхронизма кристалла KDP 14 составляет 60°, а азимутальный угол - 0° или 90°, таким образом, из каждой части выращенного кристалла KDP 14, разделенного на два, можно вырезать приблизительно квадратный элемент 15 для генерации третьей гармоники точно вдоль направления [100] и под углом 30° к направлению [001], при этом проявляются хорошие свойства при его резке; более того, размер вырезанного приблизительно квадратного элемента 15 для генерации третьей гармоники как раз приблизительно равен размеру горизонтального сечения выращенного кристалла KDP 14.
Пример 2: быстрое выращивание кристаллов KDP со стержневидной затравкой, со степенью дейтерирования 30%.
Быстрое выращивание кристаллов DKDP со стержневидной затравкой, со степенью дейтерирования 30%, включает в себя следующие этапы, со ссылками на Фиг. 1, 2 и 3A-3E:
(1) изготовление емкости 1 для выращивания кристалла, при этом двигатель 5 установлен в верхней части емкости 1 для выращивания, а соединительный стержень 6 кристаллодержателя 5 присоединяется к нижнему концу вращающегося вала 4 двигателя 5;
(2) изготовление кристаллодержателя 3 для выращивания кристалла: при этом кристаллодержатель 3 включает в себя верхнюю перекладину 7, поддон 12, соединительный стержень 6, боковые несущие стержни 8 и 9 и две лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10 и 11; верхняя перекладина 7 представляет собой планку с гладким краем; соединительный стержень 6 представляет собой круглый полый стержень, закрепленный по центру верхней перекладины 7; поддон 12 представляет собой круглую пластину; нижние концы боковых несущих стержней 8 и 9 диаметрально противоположно приварены на двух краях поддона 12, а верхние концы боковых несущих стержней 8 и 9 приварены к двум концам верхней перекладины 7; лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10 и 11 имеют лезвиеобразную форму и приварены на боковых несущих стержнях 8 и 9; две лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10 и 11, боковые несущие стержни 8 и 9 и верхняя перекладина 7 располагаются в одной вертикальной плоскости; центр верхней поверхности поддона 12 - это место крепления стержневидного затравочного кристалла; все соединения выполнены плавными, чтобы обеспечить гладкость;
(3) изготовление стержневидного затравочного кристалла DKDP 13 с [001] в вертикальном направлении: при этом высота стержневидного затравочного кристалла DKDP 13 меньше, чем высота боковых несущих стержней 8 и 9 кристаллодержателя 3, а длина по горизонтали и диапазон ширины стержневидного затравочного кристалла DKDP 13 равны 10 мм;
(4) установка поверхности нижнего конца стержневидного затравочного кристалла DKDP 13 в центре верхней поверхности поддона 12 кристаллодержателя 3;
(5) подготовка маточного раствора 2 для выращивания кристалла DKDP с точкой насыщения 55°C;
(6) помещение кристаллодержателя 3 с закрепленным в нем стержневидным затравочным кристаллом DKDP 13 в печь для предварительного нагрева на 4 часа, при этом температура предварительного нагрева составляет 55°C;
(7) по завершении предварительного нагрева, помещение кристаллодержателя 3 с закрепленным в нем стержневидным затравочным кристаллом DKDP 13 в подготовленный маточный раствор DKDP 2, присоединение соединительного стержня 6 кристаллодержателя 3 к вращающемуся валу 4 двигателя 5, запуск двигателя 5 и установка диапазона скорости вращения равным 10 об./мин; при этом режим вращения состоит из цикла: вращение в прямом направлении - 25 с, замедление - 2 с, остановка - 1 с, ускорение в обратном направлении - 2 с, вращение в обратном направлении - 25 с, замедление - 2 с, остановка - 1 с, ускорение в прямом направлении - 2 с, "с" обозначает секунды;
(8) нагрев маточного раствора DKDP 2 до 60°C для обработки перегревом, таким образом, чтобы четыре стороны стержневидного затравочного кристалла DKDP 13 полностью растворились, но не разломились, затем охлаждение, чтобы степень перенасыщения маточного раствора DKDP 2 была всегда 5%, таким образом реализуя быстрый рост кристалла DKDP на стержневидном затравочным кристалле DKDP 13 и получение кристалла DKDP 14.
В частности, как показано на Фиг. 4, когда вырезается элемент 15 для генерации третьей гармоники, угол синхронизма кристалла DKDP 14 составляет 59°5', а азимутальный угол - 0° или 90°, таким образом, из каждой части выращенного кристалла DKDP 14, разделенного на два, можно вырезать приблизительно квадратный элемент 15 для генерации третьей гармоники точно вдоль направления [100] и под углом 30°5' к направлению [001], при этом проявляются хорошие свойства при его резке; более того, размер вырезанного приблизительно квадратного элемента 15 для генерации третьей гармоники как раз приблизительно равен размеру горизонтального сечения выращенного кристалла DKDP 14.
Пример 3: быстрое выращивание кристаллов DKDP со стержневидной затравкой, со степенью дейтерирования 70%.
Быстрое выращивание кристаллов DKDP со стержневидной затравкой, со степенью дейтерирования 70%, включает в себя следующие этапы, со ссылками на Фиг. 1, 2 и 3A-3E:
(1) изготовление емкости 1 для выращивания кристалла, при этом двигатель 5 установлен в верхней части емкости 1 для выращивания, а соединительный стержень 6 кристаллодержателя 5 присоединяется к нижнему концу вращающегося вала 4 двигателя 5;
(2) изготовление кристаллодержателя 3 для выращивания кристалла: при этом кристаллодержатель 3 включает в себя верхнюю перекладину 7, поддон 12, соединительный стержень 6, боковые несущие стержни 8 и 9 и две лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10 и 11; верхняя перекладина 7 представляет собой планку с гладким краем; соединительный стержень 6 представляет собой круглый полый стержень, закрепленный по центру верхней перекладины 7; поддон 12 представляет собой круглую пластину; нижние концы боковых несущих стержней 8 и 9 диаметрально противоположно приварены на двух краях поддона 12, а верхние концы боковых несущих стержней 8 и 9 приварены к двум концам верхней перекладины 7; лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10 и 11 имеют лезвиеобразную форму и приварены на боковых несущих стержнях 8 и 9; две лезвиеобразные перемешивающие лопасти 10 и 11, боковые несущие стержни 8 и 9 и верхняя перекладина 7 располагаются в одной вертикальной плоскости; центр верхней поверхности поддона 12 - это место крепления стержневидного затравочного кристалла; все соединения выполнены плавными, чтобы обеспечить гладкость;
(3) изготовление стержневидного затравочного кристалла DKDP 13 с [001] в вертикальном направлении: при этом высота стержневидного затравочного кристалла DKDP 13 меньше, чем высота боковых несущих стержней 8 и 9 кристаллодержателя 3, а длина по горизонтали и диапазон ширины стержневидного затравочного кристалла DKDP 13 равны 15 мм;
(4) установка поверхности нижнего конца стержневидного затравочного кристалла DKDP 13 в центре верхней поверхности поддона 12 кристаллодержателя 3;
(5) подготовка маточного раствора 2 для выращивания кристалла DKDP с точкой насыщения 70°C;
(6) помещение кристаллодержателя 3 с закрепленным в нем стержневидным затравочным кристаллом DKDP 13 в печь для предварительного нагрева на 12 часов, при этом температура предварительного нагрева составляет 70°C;
(7) по завершении предварительного нагрева, помещение кристаллодержателя 3 с закрепленным в нем стержневидным затравочным кристаллом DKDP 13 в подготовленный маточный раствор DKDP 2, присоединение соединительного стержня 6 кристаллодержателя 3 к вращающемуся валу 4 двигателя 5, запуск двигателя 5 и установка диапазона скорости вращения равным 50 об./мин; при этом режим вращения состоит из цикла: вращение в прямом направлении - 25 с, замедление - 2 с, остановка - 1 с, ускорение в обратном направлении - 2 с, вращение в обратном направлении - 25 с, замедление - 2 с, остановка - 1 с, ускорение в прямом направлении - 2 с, «с» обозначает секунды;
(8) нагрев маточного раствора DKDP 2 до 85°C для обработки перегревом, таким образом, чтобы четыре стороны стержневидного затравочного кристалла DKDP 13 полностью растворились, но не разломились, затем охлаждение, чтобы степень перенасыщения маточного раствора DKDP 2 была всегда 10%, таким образом реализуя быстрый рост кристалла DKDP на стержневидном затравочным кристалле DKDP 13 и получение кристалла DKDP 14.
В частности, как показано на Фиг. 4, когда вырезается элемент 15 для генерации третьей гармоники, угол синхронизма кристалла DKDP 14 составляет 59°4', а азимутальный угол - 0° или 90°, таким образом, из каждой части выращенного кристалла DKDP 14, разделенного на два, можно вырезать приблизительно квадратный элемент 15 для генерации третьей гармоники точно вдоль направления [100] и под углом 30°6' к направлению [001], при этом проявляются хорошие свойства при его резке; более того, размер вырезанного приблизительно квадратного элемента 15 для генерации третьей гармоники как раз приблизительно равен размеру горизонтального сечения выращенного кристалла DKDP 14.
Обобщая сказанное, в данном изобретении, из-за того, что четыре грани призмы, находящиеся в очень похожих условиях роста, растут одновременно, и применяется перемешивание при помощи лезвиеобразных перемешивающих лопастей в процессе роста кристалла, вырезанные оптические элементы имеют высокую оптическую однородность. Благодаря уникальному свойству угла среза элемента для генерации третьей гармоники из кристалла типа KDP, кристалл, выращенный данным способом, имеет хорошие свойства при его резке во время вырезания элемента для генерации третьей гармоники, и площадь наибольшего элемента для генерации третьей гармоники, который можно вырезать, может быть известна заранее исходя из величины горизонтального размера выращенного кристалла.