[发明专利]一种大口径高质量磷酸二氢钾单晶生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及晶体生长，尤其是涉及大口径(>350mm)高质量磷酸二氢钾 (KH₂PO₄，简称KDP)单晶体的降温生长。

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。

大口径KDP晶体降温法生长是在一个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1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。为了保证生长大口径(>350mm)KDP晶体，饱和溶 液有足够的盐折出量，一般饱和溶液的饱和温度为60-70℃。

以往的传统大口径KDP晶体生长其工艺控制条件为籽晶成锥保持降温速率 为0.2℃/天，成锥完成后保持降温速率为0.1℃/天，按照“加速-正转-减速- 停转-加速-反转-减速-停转”循环顺序，时间间隔为“10秒-60秒-10秒-15秒 -10秒-60秒-10秒-15秒”的模式转动籽晶，保持正反转速率为90-120转/分。 在这样的控制条件下，籽晶成锥保持降温速率为0.2℃/天，降温量太大容易造 成过饱和度的累积增大，很容易出现“拉锥”现象，如图2所示，籽晶成锥的 时间大大，延长KDP晶体的生产周期，而且晶体的各个晶面容易出现白纹，影 响成品质量。在漫长的晶体透明层生长过程中，不可避免地产生水分蒸发流失， 应控制低的降温速率，降温速率为0.1℃/天也会造成溶液过饱和度的累积，破 坏晶体锥面的生长，而且随着向下生长，晶体生长面增大，不能采用固定的降 温模式，造成晶体尖化，如图3所示。在晶体透明层生长过程中，各个柱面和 锥面生长速度的不同，如图4所示，晶体的重量中线和晶体的转动中轴线不重 合，晶体转动模式中加速、减速和停转时间隔太短和正反转速率太快，晶体的 内部产生剪切力，容易开裂。

发明内容

本发明采用一种新的大口径高质量KDP晶体生长的工艺控制方法，在板状 籽晶开始成锥时，加过饱和度0.5℃，即初始生长温度下降到溶液饱和点下0.5℃ 开始成锥，这样可以有效防止板状籽晶成双锥现象，如图5所示，延长了籽晶 闭锥时间。籽晶成锥过程中，控制降温速率为0.05℃/天，防止过饱和度的累 积增大和晶体外表面透明层出现白纹。籽晶闭锥后，晶体进入透明层生长，由 于晶体透明层生长时间较长，在容积为1.5吨的圆柱形不锈钢晶体生长缸生长 不可避免地产生水分蒸发流失，应控制低的降温速率，防止溶液过饱和度的累 积，破坏晶体锥面的生长。同时晶体向下生长，晶体生长面增大，不能采用固 定的降温模式，造成晶体尖化。针对上述情况，在晶体透明层生长过程中采用 分阶段降温模式，晶体闭锥至50℃，保持降温速率0.05℃/天；50℃至35℃， 保持降温速率0.1℃/天，35℃至室温，保持降温速率0.15℃/天。晶体转动模 式按照“加速-正转-减速-停转-加速-反转-减速-停转”循环顺序，时间间隔为 “20秒-60秒-20秒-20秒-20秒-60秒-20秒-20秒”的模式转动籽晶，保持正 反转速率为40-60转/分，延长加速、减速和停转时间至20秒，降低正反转速 率，晶体转动更为平稳。

采用新的晶体生长的工艺控制方法，生长出的KDP晶体如图6所示，晶体 成锥角度为45°，不出现拉锥现象，晶体成锥后柱面和锥面完全没有出现白纹和 添晶，四个锥面生长速度相当，不出现大小面，有效地提高KDP晶体质量，增 加晶体生长成功率。晶体向下生长速度比以往工艺条件下快，缩短晶体生长周 期。

附图说明

图1为φ1200×1600mm圆柱形不锈钢晶体生长缸。

图2为KDP晶体“拉锥”现象

图3为KDP晶体生长尖化现象。

图4为KDP晶体生长中形成大小锥面现象。

图5为KDP晶体成“双锥”现象。