СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГРУППЫ ДИГИДРОФОСФАТА КАЛИЯ (KDP)
METHOD FOR GROWTING WATER-SOLUBLE KALIUM DIHYDROPHOSPHATE (KDP) MONOCRYSTALS

Изобретение относится к способам скоростного выращивания водорастворимых оптических монокристаллов, преимущественно группы дигидрофосфата калия (KDP), которые могут быть использованы, например, при изготовлении активных элементов параметрических преобразователей лазерного излучения для квантовой оптики.
Концепция процесса скоростного роста солевых монокристаллов сформулирована в работах:
В.И. Беспалова, В.И. Бредихина, В.П. Ершова, В.И. Кацмана, Н.В.Киселева, С.П.Кузнецова. Оптические свойства кристаллов KDP и DKDP, выращенных с большой скоростью. // Квантовая электроника, 1982, т.9, с. 2343-2345;
А.Т. Амандосова, З.С. Пашина, Л.Н. Рашковича. Качество кристаллов ADP, полученных быстрым выращиванием на точечной затравке. // Квантовая электроника, 1983, т.10, №3, с. 469-740.
В начале 80-х годов прошлого века концепция была реализована технически [см. патент РФ №1342056, патент РФ №955741] и до настоящего времени применяется для получения широкоапертурных элементов для преобразования лазерного излучения. Необходимая скорость роста кристалла достигается при большом переохлаждении раствора - более чем на 5°С [см. патент РФ №955741] и кинетическом режиме роста. Реализация данного режима возможна только в условиях интенсивного внешнего гидромеханического воздействия. Так, в устройстве для выращивания профилированных кристаллов из раствора [см. патент РФ №1342056] выделенная растущая грань кристалла омывается струей раствора, создаваемой качающимся в вертикальной плоскости погружным насосом с соплом. Этим достигается необходимая гидродинамическая обстановка на растущей поверхности и, соответственно, равномерная доставка к ней ростового материала.
Целевые нелинейно-оптические свойства монокристаллов являются примесно чувствительными, поэтому кристаллы выращиваются из особо чистого раствора. Современная лазерная техника требует улучшения качества монокристаллов и, в первую очередь, по примесно чувствительным параметрам (линейное поглощение, структурное совершенство, рассеивающие центры, порог пробоя, кпд преобразования излучения, и т.д.), что, в свою очередь, требует повышения чистоты ростовой среды. Однако с этим требованием вступают в противоречие особенности современной технической системы роста. Для осуществления известных способов и устройств выращивания водорастворимых монокристаллов, например группы дигидрофосфата калия, требуется наличие большого объема водного раствора, в который помещены подвижные гидромеханические элементы, для которых водный раствор является химически агрессивным, так как вода (и тем более ее солевые растворы) является самой универсальной и мощной растворяющей и диспергирующей средой. Поэтому имеет место существенный примесный аппаратурный фон (молекулярное загрязнение конструкционным материалом и микродиспергирование материала подвижных элементов). С другой стороны, в процессе составления раствора из особо чистых компонентов и последующих операций с ним невозможно избежать его загрязнения, в первую очередь, микродисперсной фазой и «бытовыми» примесями (распространенные химические элементы - железо, алюминий, кальций…). Кроме этого налицо огромная избыточность системы: ее функционирование определяет необходимость поддержания в особо чистом и лабильном состоянии больших (до 400-700 л) объемов раствора. Хотя вполне очевидно, что для обеспечения заданной скорости роста, солевого материала требуется сравнительно немного, и чистота его нужна только непосредственно в ростовой зоне.
В качестве прототипа выбрано наиболее близкое по технической сущности изобретение «Устройство для выращивания профилированных кристаллов из раствора» [патент РФ №1342056], заключающееся в том, что скорость роста кристалла и его качество обеспечивается формированием тонкого и однородного диффузионного слоя питающего раствора, который подается через щелевидное сопло, периодически перемещающееся вдоль растущей грани кристалла. Расстояние между растущей гранью кристалла и соплом поддерживают постоянным. Устройство содержит герметичный кристаллизатор с раствором, внутри которого установлены с возможностью вертикального перемещения камера роста с затравочным кристаллом и с возможностью вращения или качания погружной насос, выходные сопла которого направлены на растущую грань кристалла.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение скорости роста и оптической однородности кристаллов.
5
6
5
Поставленная задача достигается тем, что способ выращивания водорастворимых монокристаллов, преимущественно группы дигидрофосфата калия (KDP), осуществляемого из переохлажденного водного раствора на вырезанную заданным образом затравку, дополнительно включает то, что затравку изолируют стенками из химически стерильной звукопрозрачной мембраны, в изолированную ростовую зону подают раствор, прошедший через систему очистки, а рост кристалла осуществляют при воздействии на затравку акустическим полем амплитудой 10-10 Па и частотой 0,5-2,0 МГц при его пространственном градиенте не менее 10 Па/см в режиме сканирования акустическим полем по растущей кристаллической поверхности.
При этом в качестве акустического поля может быть использовано поле сферически сфокусированного ультразвука или поле цилиндрически сфокусированного ультразвука, а также в качестве источника ультразвука может быть использована многоэлементная антенна с возможностью фазирования элементов и электронного управления распределением акустического поля на растущей поверхности кристалла.
Таким образом, гидродинамическую обстановку на растущей кристаллической поверхности, необходимую для роста кристалла, создают бесконтактно, акустическими средствами, путем воздействия такого акустического поля, которое обеспечивает на растущей поверхности интенсивные приграничные акустические течения. Применение акустического поля для интенсификации роста солевых монокристаллов дает возможность организации процесса с сохранением высокой химической чистоты и фазовой устойчивости метастабильной ростовой системы. Это позволяет минимизировать объем аппаратуры и организовать химически стерильный и изотермический процесс скоростного роста, в котором пересыщение раствора поддерживается только в зоне роста кристалла.
На фиг. 1 показан вариант схемы реализации способа выращивания солевых монокристаллов, например группы дигидрофосфата калия (KDP). Схема содержит термостатируемый резервуар 1 с насыщенным раствором требуемой соли; насыщение поддерживается посредством внешнего возобновляемого источника соли 2, через который посредством нагревателя 3 осуществляется термосифонная циркуляция раствора. Соль вводится через загрузочное отверстие 4. Погружным центробежным насосом 5 насыщенный раствор подается в блок кондиционирования 6, проходит через нагревающий теплообменник 7, где перегревается на 5-7°С, и в перегретом состоянии проходит микрофильтр 8 для очистки от примесей в виде микродисперсной фазы, и далее через охлаждающий теплообменник 9, в котором охлаждается до рабочей температуры кристаллизации. Очищенный пересыщенный раствор поступает в кювету роста 10 и, проходя через нее, нагревается в теплообменнике 11 до температуры насыщения и возвращается в резервуар 1. В кювете роста 10 размещен затравочный кристалл с растущей гранью (границей) 12, например - выделенная грань (100) или (101) кристалла KDP.
Акустическое воздействие на растущую грань осуществляется источником ультразвука 13, размещенным в акустической камере 14, содержащей иммерсионную среду, например раствор NaCl. Ультразвук передается в кювету роста 10 через звукопрозрачную мембрану 15. Акустическое поле, падающее на растущую грань, должно иметь неоднородную структуру. Вследствие неоднородности акустического поля, падающего на границу раздела жидкость - твердое тело, на границе твердого тела возникают приграничные акустические течения. Данные акустические течения разрушают диффузионный слой на растущей кристаллической грани и обеспечивают доступ к этой грани ростового материала. По такой схеме рост кристалла проводится из очищенного раствора, при постоянной температуре, при этом в пересыщенном состоянии поддерживается минимально необходимый объем раствора.
5
6
5
5
Вследствие дифракционных явлений любой ограниченный в пространстве акустический излучатель ультразвукового диапазона будет создавать в своей ближней зоне неоднородное акустическое поле и может являться источником ультразвука 13. Однако многочисленными исследованиями показано, что процессы тепломассобмена на гетерогенной границе, в данном случае на границе 12, протекают тем быстрее, чем большую скорость имеют приграничные течения на гетерогенной границе, вне зависимости от того, каким способом эти течения вызваны (см., например, Ганжа В.Л., Журавский Г.И., Симкин Э.М. Тепломассоперенос в многофазных системах, Мн., Навука i тэхшка, 1990. - 287 с). Таким образом, в качестве источника ультразвука 13 должен быть акустический излучатель, удовлетворяющий следующим требованиям. Во-первых, амплитуда акустического поля на границе 12 должна быть максимально возможной, исходя из условия, что неминуемый нагрев границы 12 не должен быть настолько значительным, чтобы затормозить рост кристалла. Проведенные эксперименты показали, что амплитуды поля 10-10 Па не вызывают серьезного с точки зрения замедления роста нагрева. Во-вторых, для развития интенсивных приграничных акустических течений конфигурация акустического поля на границе 12 должна быть неоднородной, т.е. источник ультразвука 13 должен создавать на границе 12 пространственный градиент поля. Тесты показали, что необходимые для реализации задачи изобретения условия возникают при пространственном градиенте не менее 10 Па/см (изменение амплитуды акустического поля на 10 Па на характерном масштабе 1 см). Таким образом, наиболее подходящими источниками ультразвука 13 являются фокусирующие источники, создающие сферическую или цилиндрическую фокусировку, а также многоэлементные антенны с возможностью задания различных фазовых распределений по начальной апертуре (см., например, Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник, Ленинград, Судостроение, 1984. - 304 с). В-третьих, заявляемый способ выращивания водорастворимых оптических монокристаллов, будет иметь промышленную применимость, если действие интенсивных акустических приграничных течений будет распространено на растущую кристаллическую грань - границу 12, имеющую значительные размеры. Если, например, использовать сферическую фокусировку с неподвижным фокусом, то, при выполнении первых двух требований к источнику ультразвука 13, возможна интенсификация роста кристаллической грани с размерами порядка характерных размеров пространственных неоднородностей акустического поля в данном случае около 5×5 мм (~25 мм). Цилиндрическая фокусировка поля создаст интенсификацию роста кристаллической грани - границы 12 в виде полосы шириной не более 10 мм. Для увеличения масштаба воздействия необходимо применять механическое или электронное, в случае многоэлементной антенны, сканирование фокальной областью.
Был создан вариант экспериментальной установки, изображенной на фиг. 1, обеспеченный возможностью контроля роста кристалла. Вариант схематически представлен на фиг. 2. При этом, согласно предлагаемому способу для интенсифицирующего акустического воздействия, с целью создания неоднородной акустической обстановки на растущей кристаллической грани и для достижения эффекта в установке были применены цилиндрическая фокусировка ультразвука, сферическая фокусировка ультразвука и была использована многоэлементная фазируемая антенна. Для осуществления воздействия был выбран диапазон миллиметровых волн (0.5-2.0 МГц). На данных частотах достигалась достаточно острая фокусировка (ширина фокальных линии ~3 λ, т.е. 3-6 мм), и еще не сказывалась в заметной степени частотная зависимость поглощения ультразвука.
Пример 1. Герметичная акустическая камера 14 (фиг. 2) из прозрачного пластика является одновременно жидкостным ультратермостатом с точностью регулирования до 0.05°С. В нее введен источник ультразвука 13 - цилиндрический концентратор прямоугольной апертуры. Излучатель 13 подвешен на своей вертикальной оси вращения вблизи торцевой стенки акустической камеры 14 точно по ее центру, например, при помощи консоли с подшипниками скольжения из фторопласта. Посредством специально разработанного кулисного механизма обеспечивается качательно-вращательное движение излучателя вокруг вертикальной оси в секторе до 45°. Конструкция кулисного привода (на фиг. 2 не показана) позволяет осуществить плавную регулировку угла и частоты качания.
По оси акустической камеры 14, обозначенной на фиг. 2 буквами АБ, помещена цилиндрическая кювета роста 10 с кристаллом затравки с растущей гранью 12, который закреплен на стеклянной подложке. Торцы кюветы роста 10 звуко- и светопрозрачны и выполнены из недвулучепреломляющего материала. Торец кюветы роста, обращенный к источнику ультразвука, выполняет роль звукопрозрачной мембраны 15. В кювете роста 10 находится маточный раствор, в акустической камере 14 находится иммерсионная среда, например раствор NaCl той же плотности, что и маточный раствор. Наряду с акустическим, предусмотрено гидромеханическое воздействие на кристалл, для чего кювета оснащена пропеллерной мешалкой 16. Температура раствора в кювете фиксируется термисторным датчиком 17. Конструкция акустической камеры 14, кюветы роста 10 и источника ультразвука 13 (в центре излучателя имеется отверстие 18) обеспечивает оптическую прозрачность всей системы по оси АБ. Это необходимо для контроля в реальном времени скорости роста исследуемой поверхности кристалла нелинейно-оптическими средствами. В системе для точного (до 0.1 мкм/мин) определения скорости роста используется двулучепреломляющая способность водорастворимых монокристаллов. Луч лазера 19 проходит всю систему, просвечивая кристалл перпендикулярно растущей грани 12, и его выходная интенсивность, регистрируемая фотоприемником 20, является периодической функцией толщины кристалла. Например, в случае кристалла KDP период равен 16 мкм для грани призмы и 35 мкм для пирамиды. В реальном времени оцифровываются сигналы, получаемые от фотоприемника 20 и термодатчика 17. При этом получается временная и температурная зависимость скорости роста, также может фиксироваться отклик растущей грани на гидромеханическое и акустическое воздействие.
Растущая грань 12 позиционирована в фокальной плоскости источника ультразвука 13 в виде цилиндрического концентратора. Соответственно, высота озвучиваемой поверхности определяется высотой фокальной линии (т.е., фактически вертикальным размером концентратора 13). Распространение акустического воздействия по ширине целевой поверхности производится горизонтальным сканированием по ней сфокусированным ультразвуковым лучом (качательно-вращательное движение излучателя вокруг вертикальной оси в заданном угловом секторе).
На экспериментальной установке, изображенной на фиг. 2, проведена серия ростовых экспериментов с применением источника ультразвука 13 с частотой 1,1 МГц, выполненного в виде пьезокерамического цилиндрического концентратора прямоугольной апертуры, 56×56 мм, с фокусным расстоянием 60 мм. Для корректного сопоставления эффективности гидромеханического и ультразвукового воздействия на ростовой процесс измерения проводились на одной растущей грани 12 («в одну постановку»). Предварительно регенерированная затравка с гранью 12 размером 50×50 мм (монокристалл дигидрофосфата калия, выделенная грань (100) - призма) подращивалась в растворе с температурой насыщения ~43°С, переохлажденном на 5°С, в условиях интенсивного гидромеханического воздействия посредством пропеллерной мешалки 16. По завершении процесса подращивания гидродинамическое воздействие прекращалось. Ультразвуковое воздействие начиналось после стабилизации скорости роста грани в режиме естественной плотностной конвекции. Растущая грань озвучивалась в режиме сканирования ультразвуковым лучом при частоте качания излучателя ~2 Гц в секторе около 30° (±15° от общей оси системы), что обеспечивало перемещение фокальной линии по всей растущей грани кристалла. Характерная для данного опыта зависимость скорости роста от времени показана на фиг. 3. Выделены временные области роста в условиях гидродинамического (ГД) воздействия, режиме свободной конвекции (РСК) и в ультразвуковом поле (УЗ). Показана относительная амплитуда акустического воздействия.
max
max
max
При уровне Р***0.2P фиксировалось возрастание скорости роста на 20-30%, при Р***0.4P устанавливалась скорость роста примерно в 2.5 раза выше характерной для условий свободной конвекции. Повышение звукового давления до уровня - 0.5-0.6P приводило к нарушению оптической прозрачности системы кристалл - стеклянная подложка, при этом возникали шумы в системе регистрации скорости роста. При меньших интенсивностях достаточно продолжительное время, пока не начинало сказываться истощение раствора, наблюдался устойчивый рост грани (100) размером 50×50 мм.
max
Пример 2. В качестве источника ультразвука 13 в установке на фиг. 2 был использован сферический концентратор ультразвука с резонансной частотой 0,97 МГц, диаметром начальной апертуры 60 мм и фокусным расстоянием также 60 мм. Осуществлялось механическое сканирование фокальной областью построчно, т.е. в двух плоскостях по следующей схеме: качание в горизонтальной плоскости с частотой 0,7 Гц в секторе 30°, после половины периода качания изменение положения концентратора в вертикальной плоскости на угол, соответствующий смещению фокальной области, расположенной на растущей грани на 5 мм вверх или вниз в зависимости от фазы сканирования в вертикальной плоскости. Проведение опыта было идентичным, при этом были зафиксированы результаты, аналогичные полученным в Примере 1. Разница возникала при звуковых давлениях порядка 0.6P, где нарушалась работа системы регистрации роста, что отражено на фиг. 3.
max
Пример 3. В качестве источника ультразвука 13 в установке на фиг. 2 была использована 36-элементная антенная решетка с начальной апертурой 60×60 мм и размером элемента 6,5×6,5 мм. Центральная частота антенной решетки 1 МГц, добротность около 3. Электронная система управления фазой элементов в антенной решетке позволяла создавать различные конфигурации поля на растущей грани и управлять этими конфигурациями во времени. В частности, был реализован случай параболической фокусировки. Элементы антенной решетки были сфазированы таким образом, чтобы фазовый фронт представлял собой параболу в вертикальном сечении. При этом на растущей поверхности кристалла находилась горизонтальная фокальная линия. Фазы элементов антенной решетки изменялись во времени таким образом, чтобы фокальная линия перемещалась по поверхности растущей грани вверх и вниз со скоростью примерно 3 см/с. Проведение опыта было также идентичным, и также были получены результаты, аналогичные зафиксированным в Примерах 1 и 2. Отличия возникли при амплитудах акустического поля, нарушающих работу системы регистрации, т.е. при звуковых давлениях порядка 0.6P (см. фиг. 3).
Как видно из фиг. 3, кинетический (скоростной) режим роста может достигаться за счет акустического воздействия, при этом скорость роста может превышать характерную скорость роста при интенсивном гидромеханическом воздействии. При этом воздействие осуществляется бесконтактно, без введения в ростовую зону механически подвижных элементов.
Настоящее изобретение открывает техническую перспективу создания нового поколения аппаратуры для скоростного выращивания водорастворимых монокристаллов - с изолированной химически стерильной ростовой зоной.
Хотя изобретение подробно представлено предшествующим описанием и соответствующим графическим материалом, это необходимо рассматривать в качестве иллюстрации, не имеющей ограничительного характера, при этом следует понимать, что показан и описан лишь предпочтительный вариант выполнения изобретения и что в объем защиты входят все изменения и модификации, соответствующие концепции изобретения.