[发明专利]一种大口径磷酸二氢钾单晶体快速成锥方法

说明书

技术领域

本发明涉及晶体生长，尤其是涉及大口径(>330mm)磷酸二氢钾(KH₂PO₄， 简称KDP)单晶体的板状籽晶快速成锥方法。

背景技术

KDP晶体是一种优良的非线性光学材料，主要应用于激光二、三、四次倍频， 尤其是优质的大尺寸KDP晶体，目前己被国际上列为激光核聚变频率转换的唯 一实用材料，也是当今国际晶体生长研究的热点课题。至今国内仍延用传统的 降温方法进行大口径单晶生长。

目前在国内大尺寸KDP晶体的生长所采用的籽晶是口径为330～540mm，厚 度为15～30mm的正方形板状籽晶，如图1所示。大口径KDP晶体是单晶，其生 长外形严格按照单晶的晶胞参数生长，根据KDP晶体的晶胞参数，闭锥后的四 个锥面与底面夹角为45°，因此正常闭锥的高度为板状籽晶底边长的一半，如图 2所示。

传统大口径板状籽晶成锥方法其工艺控制条件为在籽晶成锥保持降温速率 为0.1～0.2℃/天，在籽晶成锥的整个过程保持90～120转/分，在这样的控制 条件下，籽晶成锥很容易出现“拉锥”现象，如图3所示。这种“拉锥”现象 造成的后果是籽晶成锥的时间大大延长至半年，甚至一年，影响了大口径KDP 晶体产品的生产周期；闭锥后KDP晶体的Z向高度已超过正常闭锥高度的2～3 倍，成锥体内为松散的KDP析出体，消耗了大部分的饱和在母液中的KDP晶盐 原料；成锥后晶体的各个晶面的透明层生长容易出现白纹，严重影响最终成品 的质量。

发明内容

本发明采用一种新的大口径KDP板状籽晶成锥的工艺控制方法，改变传统 的籽晶成锥工艺控制条件，大大缩短了大口径KDP板状籽晶的成锥时间，从原 来的半年到一年缩短为十天，实现了大口径KDP板状籽晶的快速成锥，缩短了 大口径KDP晶体的生产周期；闭锥后高度为为板状籽晶底边长的一半，而成锥 为“空锥”，即锥体只有表面一层薄薄的KDP晶体薄片，锥体内部充满了生长饱 和溶液，实现理想状态的板状籽晶成锥模式，大大减少了籽晶成锥所需的饱和 溶液的析出量；成锥后晶体各个晶面都为透明生长，保证了生长晶体质量。

本发明中大口径KDP板状籽晶的生长是在一个φ1200×1600mm，容积为1.5 吨的圆柱形不锈钢晶体生长缸里进行。生长设备如图4所示，其中1为晶体生 长缸2为缸盖3为载晶架安装孔4为操作孔5为缸体的支脚6为观察窗口7为 灯光照明窗口8为恒温水浴缸9为水浴缸观察窗10为水浴缸的搅拌器11为水 浴缸的加热器12为工程塑料外套。缸盖3由盖法兰2-1、法兰密封圈2-2组成； 生长时大口径KDP板状籽晶14倒放固定在载晶架13上放入晶体生长缸1的饱 和KDP生长溶液16里成锥15生长。

本发明中采用新的大口径KDP板状籽晶的快速成锥方法，分为三个成锥时 期：在籽晶成锥初期，如图5所示，板状籽晶的四个角出现生长薄片“角蓬”， 其中两个“角蓬”生长特别迅速，但还没有形成成锥的锥尖，这时控制降温速 率从0.5℃/天，以0.1℃/天的速率递减，并保持籽晶静止生长。在籽晶成锥初 期，控制降温速率从0.5℃/天以0.1℃/天的速率递减的降温程序，籽晶成锥在 高的过饱和度中进行，有利于籽晶的四个角出现生长“角蓬”形成空锥，但过 饱和度不能太高，太高容易引起饱和溶液的自发结晶，即“杂晶”。在这个时期， 籽晶保持静止生长，有利于生长“角蓬”不会变厚出现透明层，往成锥的方向 生长；在籽晶成锥中期，如图6所示，当初期降温程序中，降温速率为零时， 已形成成锥的锥尖，“角蓬”开始倒勾向上生长，这时停止降温，并以60～70 转/分的转速，按照“正转-停转-反转”顺序，时间间隔为“60秒-15秒-60秒” 的模式转动籽晶。在这个时期，应停止降温，锥尖已形成，应降低生长溶液的 过饱和度，防止“杂晶”的出现。程序转动籽晶，是防止已形成的两个锥面的 透明层出现白纹，影响晶体晶体质量；在成锥后期，如图7所示，空锥已完全 封闭，成锥完成晶体进入稳定的透明层生长，这时应控制降温速率为0.05～ 0.1℃/天，并继续成锥中期的转动方式旋转晶体生长。

具体实施方式