Содержание
Стр.
Введение. Водорастворимые кристаллы в нелинейной оптике и лазерной технике ...........................................................5
1. Комплексное исследование свойств кристаллов КЛЭР и ГЖЛЭР..................25
1.1 .Оптические свойства кристаллов КН2РО4 и ЮЭзРО.ь выращенных с большой скоростью ...................................................................25
1.2.Ультрафиолетовая спектроскопия растворов и кристаллов
КН2РО4 и КЛЭ2Р04.............................................................34
1.3. Измерения неоднородностей показателей преломления в кристаллах..........40
1.3.[.Количественные измерения оптических неоднородностей
теневым методом..............................................................40
1.3.2. Аномальная двуосность и пропускание в скрещенных поляроидах. Контраст электрооптических затворов..........................................54
1.3.3. Измерение аномальной двуосности в кристаллах с использованием циркулярно поляризованного света.............................................57
1.4. Оптическая стойкость кристаллов КЭР и возможности ее повышения 67
1.4.1. Оптическая стойкость кристаллов КОР в режиме одиночных импульсов...67
1.4.2. Влияние временной структуры лазерного излучения на эффекты накопления (лазерную стойкость) в нелинейных кристаллах КОР и а-ЬИОз.........................................................................82
1.4.2.1. Влияние временной структуры лазерного излучения на эффекты накопления в нелинейных кристаллах КОР.......................................82
1.4.2.2. Влияние временной структуры лазерного излучения на эффекты
накопления в нелинейных кристаллах а-Ы10з....................................93
1.5. Исследование дисперсии показателей преломления кристаллов ОК1ЭР
методом генерации гармоник..................................................108
2. Применение кристаллов группы КОР для преобразования частоты.............116
2
2.1.Применение “скошенных” элементов для преобразования частоты лазерного излучения..................................................................116
2.2. 90-градусный синхронизм в смешанных кристаллах KD2xH2(i.X)P04
при удвоении частоты второй гармоники неодимового ОКГ......................121
2.3. 90-градусный синхронизм при удвоении частоты в кристаллах RbxK{].x)H2P04.............................................................123
3. Исследования роста кристаллов KJDP......................................139
3.1. Влияние примесей на кинетику роста кристалла KDP......................141
3.2. Исследование in situ морфологии быстрорастущей поверхности кристалла KDP..............................................................155
3.3. Коллективные процессы при росте кристаллов KDP из растворов...........169
3.4. Образование сгустков ступеней при росте кристалла из раствора.........186
4. Об оптимизации условий выращивания кристаллов...........................214
4.1. Массоперенос в растворе при скоростном росте кристаллов...............216
4.1.1. Эффективная толщина диффузионного слоя при послойном росте кристалла..................................................................216
4.1.2. Релаксация диффузионного слоя при движении питателя.................219
4.2. Релаксационные колебания относительного пересыщения раствора па растущей поверхности при периодическом питании.............................222
4.3. Влияние гидродинамических условий на светорассеяние в кристаллах 227
4.4. Фильтрация растворов и светорассеяние в кристаллах;...................235
4.4.1. Фильтрационные системы..............................................235
4.4.2. Исследование чистоты растворов......................................236
4.4.3. Светорассеяние в кристаллах и фильтрация............................244
5. Заключение. Основные результаты.........................................249
Список работ но диссертации.................................................254
Цитируемая литература.......................................................262
4
Введение. Водорастворимые кристаллы в нелинейной оптике и лазерной технике
Актуальность темы. Водорастворимые кристаллы типа KDP (KD*P (KH2(i_ х) D2xP04), ADP, CDA, RDA , a-LiI03 и др.) не встречаются в природе. Они выращиваются искусственно из водных растворов соответствующих солей КН2РО.ь (KD2P04) и др. при «тепличных» температурах (~ 90-20°С). Однако, они хорошо известны в науке и технике. Ещё во времена 2-ой мировой войны кристаллы K.DP пытались применять в гидроакустике [1]. Однако наибольшее применение кристаллы нашли в лазерной оптике, где они используются в качестве материала для различных, преобразователей частоты излучения, электрооптических модуляторов и фазовых селекторов. Впервые генерация второй гармоники в режиме импульса свободной генерации была осуществлена в водорастворимых кристаллах в 1962 г. [2-4]. С тех пор появилось множество новых нелинейно-оптических материалов, но кристаллы KDP и DKDP остаются основным материалом, особенно, для мощных лазерных систем с пиковой
О 14 1
мощностью > 1 ГВт/см и энергией в импульсе (т = 10 ' — 10 ’ с) в несколько килоджоулей. Это определяется уникальным сочетанием целого ряда физических свойств этих кристаллов, таких как, высокой прозрачностью в широкой (от УФ до ближней ИК) области спектра, высокой лазерной прочностью, хорошей оптической однородностью, оптимальной для мощных, высокоэнергегичных лазерных систем величиной оптической нелинейности и принципиальной возможностью выращивать и обрабатывать их достаточно больших размеров. Так, в настоящее время производятся оптические элементы преобразования частоты лазерного излучения с оптической апертурой до 40x40 см2, которые переводят ИК излучение во вторую и третью гармоники с энергией до ~ 5 кДж (на один элемент преобразователя) с высоким к.п.д.
Поэтому водорастворимые кристаллы сейчас находят применение в таких ультрасовременных проектах как NIF (США), LMJ (Франция), GEKKO (Япония), Искра-5 и Искра-6 (Россия) и др., направленных на изучение взаимодействия
5
сверхмощного оптического излучения с веществом, и, в частности, для изучения проблемы управляемых термоядерных реакций.
Проблемам выращивания водорастворимых нелинейно-оптических кристаллов, исследованию их свойств, их применению в нелинейной оптике и лазерной технике посвящено в мировой научной литературе огромное количество работ, которые начали бурно развиваться после первого успешного опыта по удвоению частоты излучения рубинового лазера в-кристалле КХ)Р в 1962г.[2-4]. В НИРФИ (г. Горький) первый кристалл КГ)Р оптического качества был выращен в 1963г. С тех пор в НИРФИ, а после 1977 г. в ИПФ РАН большим коллективом исследователей активно проводился комплекс исследовательских, конструкторских и технологических работ по выращиванию различных водорастворимых нелинейно-оптических кристаллов, исследованию их свойств, их применению в нелинейной оптике и* лазерной технике. Среди результатов этого коллектива следует особо отметить создание технологии скоростного профилированного выращивания кристаллов типа КОР [5, 2А-4А1, 38Л], позволяющего выращивать непосредственно кристаллические заготовки будущих оптических элементов с заданными размерами, формой и кристаллографической ориентацией со скоростью роста на. порядок превышающей скорость в традиционных технологиях. Разработка скоростной технологии, сопровождавшаяся резким ростом размеров оптических элементов (с ~ 10x10 см2 в 1985 г. при двух типах ориентации до ~ 40x40 см2 при любой ориентации в настоящее время) и столь же резким ростом требований к качеству кристаллов, потребовала проведения как конструкторских и технологических работ по росту кристаллов, так и работ по разработке методов исследования свойств кристаллов и растворов, проведению исследований свойств кристаллов и растворов, поиску оптимальных способов применения кристаллов в лазерных системах в соответствии с особенностями развиваемой технологии, а также, что необходимо отдельно отметить, по пересмотру и развитию физических основ роста кристаллов из растворов.
1 Литературные ссылки с буквой Л относятся к работам автора но теме диссертации.
6
В цели данной работы не входит подробное рассмотрение технологии и аппаратуры для скоростного роста кристаллов. Поэтому для облегчения восприятия читателем основного содержания диссертации приведем здесь краткий обзор известных методов выращивания кристаллов из низкотемиературпых водных растворов.
Традиционный (медленный) рост [1А,11]
Используют затравку в виде пластины г -ориентации (вариант-затразка в виде пирамиды {101}), и на ней после регенерации наращивают кристалл. Рост идет только гранями пирамиды. Грани призмы «отравляются» примесями и в росте не участвуют. Пересыщение небольшое, скорость роста И — 0,5 мм/сутки. На рис. в.1 показан пример [1А] кристаллизатора для выращивания кристаллов КХ)Р, Е)КЕ>Р методом концентрационной конвекции с подпиткой раствора. Рост идет при постоянной температуре. Для улучшения условий питания растущих граней и выравнивания скоростей роста различных граней кристалл реверсивно вращается со скоростью ~20 об/мин.
На рис. в.2 показан образец кристалла КОР |'1Л] с размерами ~ 16x16 х35 см, выращенный по описанному методу. Кристалл имеет четко выраженную полисекториальную структуру (4 сектора роста граней пирамиды). Полисекториальная структура приводит к напряжениям в кристалле и дефектам на границах секторов, снижающим оптическую прочность кристалла (см. также далее, п.1). Использование примесей ограничивает возможности получения высокочистых кристаллов.
Время выращивания составило около года.
Из этого кристалла можно, в принципе, изготовить несколько (4-6) элементов преобразования частоты II типа (ср = 0°) с размером поперечного сечения до 16x16 см2 или I типа (<р = 45е) с размером поперечного сечения до 12x12 см2. Отходы при вырезке заготовок элементов составляют до ~ 70%. Возможны другие варианты метода: с понижением температуры, многобаковые системы и т.д. Более подробно см. [11].
834
І. А В a tyre ini et al. / Optical single crystals for laser systems
Рис. В.1. Рис. В.2.
Рис. в.1. Схема установки: 1 электропривод, 2- контрольный термометр, 3-ось крепления кристалла,4-контактный термометр, 5-кристаллизатор: 6-капроновый фильтр, 7-нагрсватель, 8-воздушный термостат, 9-вставка, 10- растущий кристалл;. 1а-ростовая зона, 1Ь- зона с истощенным раствором, Іс -зона наїрева; II-растворительная камера.
Рис. в.2. Кристалл КОР с размерами 14x14x35 см3.
8
В [145] исследована возможность модернизации описанного метода (с рециркуляцией раствора для создания пересыщения, использование относительно быстрого реверсивного вращения кристалла в сочетании с системой мешалок для создания однородной гидродинамики) для увеличения скорости роста. Утверждается, что для кристаллов КОР достигается скорость роста до 10 мм/сугки [145]. Замечания относительно характеристик кристаллов, высказанные выше, остаются в силе.
Скоростной метод выращивании на точечной затравке (МГУ - ЬЫМЬ)'
[https://lasers.llnl.gov/about/niГ/зеуеп шопскгге.рИр, 22, 87, 129]
Берется маленькая (точечная) затравка z -ориентации (рис. в.З), рост ведется всеми гранями пирамиды и призмы (при большем пересыщении и без «отравления» призмы примесями). Пересыщение создается путем снижения температуры. Чтобы обеспечить питание граней кристалл быстро реверсивно вращается: Скорость вращения достигает до- ~ 100 об/мин и программно изменяется по мере роста кристалла. При1 этом гидродинамические условия питания растущих граней не сохраняются постоянными: Нормальная скорость роста граней ~ 0,5 мм/час. В‘ кристалле присутствует 4 сектора роста граней пирамиды и 4 сектора роста граней призмы. Полисекториальная структура приводит к напряжениям в- кристалле и дефектам на границах секторов, снижающим оптическую прочность кристалла [22, 35].
В разработанной в ЬЬМЪ технологии используется кристаллизатор с объемом раствора ~ 1000 л. Выращиваются иолногранные кристаллы с характерными размерами 50x50x50 см3 и массой до ~ 300 кг. Пример выращенною по методу МГУ - ЬЬЫЬ показан на рис. в.4. Длительность выращивания около 1 месяца. Из этого кристалла можно, в принципе, изготовить несколько (4-6) элементов преобразования частоты II типа (ср = 0°) с размером поперечного сечения до;
50x50 см2 или I типа (ф = 45и) с размером поперечного сечения до 36x36 см2. Отходы при вырезке заготовок элементов составляют до ~ 70% и болсс [https://lasers.llnl.gov/about/nirhow_nif_works/optics.php].
Рис. в.З. Схема «скоростного выращивания на точечной затравке по [22,87] 1 -«точечная» затравка, 2- платформа, 3 - кристалл, 4- раствор. 5- сосуд с раствором
Рис. в.4. Кристалл К.ОР, выращенный по методу МГУ (Ьирзг/ЛазегБ. 1 lnl.gov/about/nif/seven_wondcrs.php)
Скоростное выращивание между параллельных вращающихся пластин [патент XV О 98/59097, Франция]
Сущность скоростного метода между параллельных вращающихся пластин ясна из рис. в.5. Рост начинается с ориентированной точечной затравки, закрепленной на нижней пластине (или углубленной в ней). Пластины реверсивно вращаются, обеспечивая тем самым поток раствора к растущему кристаллу. Скорость вращения варьируется, обеспечивая скорость роста кристалла до 0,5 мм/час. Рост идет за счет всех граней (100) и (101), питание которых неоднородно и изменяется по мере роста и изменения габитуса кристалла. Кристаллы имеют сугубо полисекториальное строение.
Скоростной метод профилированного роста (ИПФ РАН) [5, 55, 2А-4А, 38А|
Берется ориентированная нужным образом затравка необходимого размера и формы (квадрат, прямоугольник, круг), укладывается на дно формообразующей ячейки (ящик) (рис. в.6 и рис. в.7). Рост ведется ОДНОЙ гранью, нормаль к которой наиболее близка к образующей ячейки. Питание в ячейку подается помпой с системой подвижных сопел. Остальные грани вырождаются, упираясь в стенки ячейки. Скорость роста ~ 0,5-1 мм/час. Таким образом, выращивается не просто кристалл, а заготовка будущего оптического элемента. Длительность выращивания заготовки 2-8 недель в зависимости от типа и размеров заготовки. Пути выращивания элементов различных ориентаций иллюстрирует рис. в.7. Преимущества
1. нет межсекториальных границ - источников дефектов
2. управляемая, постоянная независимо от размеров выросшего кристалла гидродинамика. Эти пункты обеспечивают потенциальные преимущества по качеству кристаллов.
3. практически безотходный
4. малые объемы аппаратуры и растворов
Пример: Для получения заготовки элемента первого типа с сечением 40x40 см2 по
11
Рис. в.5. Схема метода выращивания между двух параллельных пластин (выращиваются 3 кристалла одновременно).
1- раствор, 2, 3, и 4- кристаллы; 5, 6, 7 и 8 -параллельные пластины; 9- блок растущих кристаллов; 10, 11 и 12-ориентированные точечные затравки; 13-сосуд; 14, 15-стойки.
12
методу МГУ требуется вырастить кристалл весом 300-400 кг (при весе элемента 10-15 кг). Объём раствора, приходящийся на 1 элемент, составляет до 200 л.
По методу ИПФ выращивается заготовка на 3-4 элемента весом 40-60 кг, которая распиливается на блины-элементы (цифры ориентировочные). Объём раствора, приходящийся на 1 элемент, составляет до 50 л. Безотходность и малые объемы кристаллизационных растворов (при выращивании кристаллов DK.DP с использованием D2O важность малого объема раствора резко возрастает) обеспечиваю г существенный экономический выигрыш по сравнению с другими методами.
Цели диссертационной работы. Основной целыо работы было создание физических основ разработки элементной базы мощных лазерных систем с применением водорастворимых кристаллов. Из приведенного во Введении обзора известных методов выращивания крупногабаритных водорастворимых кристаллов для лазерной техники следует, что наиболее перспективным является метод скоростного профилированного выращивания (ИПФ РАН). Автор данной работы, являясь членом коллектива разработчиков1 этого метода, обеспечивал комплексное физическое исследование оптических, нелинейно-оптических свойств кристаллов, связи дефектной структуры кристаллов с условиями выращивания, применений «скоростных» кристаллов в мощных лазерных сисземах2. Это объясняет многоплановость включенных в диссертацию результатов: они охватывают собой, как вопросы, традиционно относящиеся к нелинейной оптике и лазерной технике (генерация гармоник, электрооптические модуляторы, лазерная прочность кристаллов), так и вопросы, традиционно решаемые в рамках кристаллографии и роста кристаллов (дефекты в кристаллах, массогюренос при росте кристаллов и структура растущей поверхности кристалла), а также некоторые прилегающие к этим темам вопросы, например, исследование распределения микрочастиц в растворах. Однако широта тематики решаемых в диссертации задач оказывается вполне оправданной, если учесть, что
2 Основная часть полученных в диссертации результатов получена, опираясь на скоростной метод профилированного выращивания кристаллов Олнако, они, как правило, справедливы для всех кристаллов KDP, DKDP, независимо от технологии выращивания.
13
I
затравка
Рис. в.6. Скоростное профилированное выращивание кристаллов-заготовок оптических элементов
Рис. в.6. Различные пути выращивания кристаллов -заготовок КОР (ЭКОР)
1 -(101) ориентированный блок для разрезки на элементы преобразования частоты II- типа; 2-(001) г-ориентированные пластины для ячеек Поккельса; 3-Пластины для элементов преобразования частоты II- типа.
4- Пластины для элементов преобразования частоты I- типа.
14
Рис. в. 8. Схема кристаллизационной установки для выращивания кристаллов-заготовок. 1- сосуд; 2-ростовая ячейка; 3-сопло-гштатель; 4 помпа; 5-термостат; 6-нагреватель.
Рис. в. 9. Кристаллизационная установка для выращивания ориентированных кристаллических заготовок с размером поперечного сечения до 35x35 см.
15
Рис. в. 10. Образцы кристаллов и оптических элементов
1,3 — заготовки элементов преобразования частоты 11 типа (КОР и ОКОР); 2 — заготовка элементов преобразования частоты I типа (ОКОР); 4-оптический элемент преобразования частоты II типа (КОР); кристалл КОР с размерами 14x14x35 см3 (см. рис. в.2); кристалл ОКОР, выращенный на точечной затравке.
16
все они были направлены на решение основной проблемы - создание элементной базы мощных лазерных систем с применением водорастворимых кристаллов - и без решения отдельных задач, в, казалось бы, далекой от основного направления научно-технической области, было часто невозможно получить устойчивые надежные результаты на основном направлении. Так, например, без понимания связи структуры растущей поверхности кристалла с процессами массопереноса невозможно создать устойчивую технологию скоростного выращивания совершенных кристаллов, а понимание специфических свойств “скоростных” кристаллов оказалось необходимым при поиске оптимальных решений создания высокоэффективных преобразователей частоты излучения в мощных лазерных системах.
Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами. На защиту выносятся следующие основные положения:
1. “Лазерное” качество кристаллов КОР, ОКОР (оптическая прозрачность, однородность и лазерная прочность), выращиваемых с большой скоростью и профилированием, не уступает лазерному качеству “традиционных” кристаллов. Более того, благодаря физическим преимуществам скоростного метода выращивания (моносекториальность, отсутствие слоев роста, возможность использования высокочистого исходного сырья3) качество “скоростных” кристаллов может быть значительно выше.
2. Дисперсия показателей преломления в нелинейно-оптических кристаллах может быть определена “нелинейно-оптическим” методом путем измерения углов синхронизма преобразования частоты на ряде длин волн и типов синхронизма и решения обратной задачи.
3 В традиционной технологии использование особо чистого сырья (по крайней мерс по металлам Ре, АІ и др.) ограничивается расширением кристаллов за счет роста граней {100}, что приводит к дефектности кристаллов [1Л}. Скоростная технология, напротив, предполагает достаточно быстрый рост граней {100} [5]
17
3. “Скошенные” крупноапертурные генераторы гармоник из “скоростных” кристаллов КН2(1-\>02\ГО4 при преобразовании частоты мощных лазерных систем с Я = 1,315 мкм не уступают по основным параметрам “нормальным ” элементам.
4. Кристаллы KDP не подвержены лазерному старению при их облучении частотно-периодическими импульсами лазерного излучения с мощностью не превышающей порог разрушения в единичном импульсе (длины волн 1,06 мкм, 0,53 мкм, частота следования импульсов ~ 10 Г’ц, число импульсов до 10‘1), в отличие от кристалла а-ЫЮз, в котором наблюдается “лазерное старение” в указанных условиях.
5. Разработанный в работе теневой оптический метод исследования растущей поверхности кристалла in situ позволяет получать репрезентативные результаты о морфологии растущей поверхности в- условиях интенсивной гидродинамики, достаточно большого размера исследуемой поверхности*(конкретная реализация: -8x8 см), в широком диапазоне ростовых параметров, в том числе в условиях реальной технологии.
6. Морфология растущей кристаллической поверхности большой площади определяется конкуренцией ростовых центров и образованием сгустков элементарных ступеней. Структура ростовых центров зависит от эффективности питания растущей поверхности. Образование сгустков элементарных ступеней может быть объяснено в рамках разработанной в работе модели нестационарного диффузионного слоя.
7. Светорассеяние в кристаллах связано с качеством фильтрации растворов и с оптимальностью питания растущей грани, т.е. с гидродинамикой раствора, а величина светорассеяния, как параметр качества кристалла, может служить основным индикатором оптимальности условий, роста. В частности, величина светорассеяния связана с релаксационными колебаниями диффузионного слоя.
Научное и практическое значение работы
Научная и практическая значимость диссертационной работы, но существу, следует из всего вышеизложенного материала. Объективное и оперативное
18
сравнительное исследование оптических свойств “скоростных” и “традиционных” кристаллов дало возможность существенно дополнить понимание механизмов роста кристаллов из растворов, открыло возможность применения “скоростных” кристаллов и обозначило направления дальнейшего развития скоростной; технологии выращивания кристаллов типа КОР. Полученные результаты по дисперсии показателей преломления кристаллов ЭКЭР, оптической стойкости кристаллов, по “скошенным ” элементам вместе с результатами по скоростному росту позволили в кратчайшие сроки и с минимальными затратами провести работу по переводу крупнейших российских (советских) лазерных установок “Искра 4” и “Искра-5” в режим работы на гармониках основного излучения. Результаты поляризационных исследований кристаллов ЭКОР' (аномальной двуосности) дали возможность разработать технологию выращивания кристаллов с малой двуосностыо и изготовить уникальные высококонтрастные электрооптическис затворы с апертурой ~90 мм. Результаты по широкополосному 90-ррадусному синхронизму в смешанных кристаллах КН2(1,т)02хР04 и КЬхК(|.Л)Н2Р04 во всем интервале изменения х существенно расширили возможности нелинейной оптики больших мощностей с использованием этих кристаллов.
Исследования по технологии скоростного роста (влиянию гидродинамики, фильтрации растворов, кислотности растворов на свойства кристаллов) не только существенно расширили понимание физики роста, но и позволили развить технологию, в частности сформулировать условия масштабирования при переходе от меньших ростовых систем к более крупным.
Отдельное место в диссертационной работе занимают результаты по физике роста кристаллов из растворов: исследование влияния примесей, морфологии роста, в частности сгустков ступеней. Эти результаты имеют важное научное значение, они во многом расширяют и уточняют имеющиеся представления о росте кристаллов из водных растворов. Но, с другой стороны, эти результаты имеют важное практическое значение для технологии выращивания, поскольку дальнейшее ее развитие по пути увеличения размеров кристаллов, увеличения
19
эффективности технологии, а самое главное, обеспечения высокого качества кристаллов, без ясного понимания процессов роста, процессов дефектообразования на данном этапе невозможно.
Личный вклад автора
Представленная работа является экспериментальным и теоретическим исследованием, проведенным в соавторстве, что отражено в публикациях. Автору данной диссертационной работы принадлежит ведущая роль в формулировании задач, в определении основных научных экспериментальных и теоретических идей, в интерпретации результатов. Все работы, отраженные в диссертации, проведены при непосредственном участии автора.
Апробация работы
Диссертация« выполнена в Институте прикладной физики РАМ. Материалы,
вошедшие в работу, докладывались на семинарах И11Ф РАН. Работа в целом была
представлена на квалификационном семинаре ИГІФ РАН. Результаты,
приведенные в диссертации, были представлены на ряде международных,
всесоюзных и российских национальных конференций, таких как:
XI Всесоюзная; конференция по когерентной и нелинейной оптике, 1978; II Всесоюзная конференция “Оптика лазеров”, Ленинград, 1980; V Всесоюзное совещание по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом, Ленинград, 1981; IX Международная конференция “Оптика лазеров”, Россия, Ст.-Петербург, 1998; Всесоюзная конференция "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле", Хабаровск, 1981; III Всесоюзная конференция “Лазеры на основе органических соединений и их применения”, Ужгород, 1982; 7 Всесоюзная конференция по росту кристаллов, Москва, 1988; 8 Всесоюзная конференция по росту кристаллов, Харьков, 1988; IX Национальная конференция по росту кристаллов, Москва, ИК РАН, 2000; X Национальная конференция по росту кристаллов, Москва, ИК РАН, 2002; XI Национальная конференция по росту кристаллов, Москва, ИК РАН, 2004; XII Национальная конференция по росту кристаллов, Москва, ИК РАН, 2006; IX conference on Quantum Electronics ad nonlinear Optics, Poland, Poznan, 1980; National Scientific-Technical Conference with International Participation “Chemical Products for the Electronics”, Bulgaria, Plovdiv, 1987. Fourth International Workshop on Iodine Lasers and Applications, Czech Republic, Trest Castle, 1995; XXVI Europian Conference on Laser Interaction with Matter, Czech Republic, Prague,
2000; International Quantum Electronics Conference (IQEC/LAT 2002), Russia, Moscow, 2002; National Scientific-Technical Conference with International Participation Chemical Products for the Electronics, Bulgaria, Plovdiv, 1987; International Conference “Solid State Lasers lor Application to Inertial Confinement Fusion (ICF)”, USA, Monterey 1995; Second Annual International Conference “Solid state lasers for Applications on Inertial Confinement Fusion”, France, Paris, 1996; Third International Conference “Solid state lasers for Applications to Inertial Confinement Fusion”, USA, Monterey, 1998; International Conference “Trends in Quantum Electronics”, Romania, Bucharest, 1985; Ninth American Conference on Crystal Growth, USA, Baltimore, 1993; The 12th International Conference on Crystal Growth, Jerusalem, Israel, 1998; The 4-th international, edition of: Romanian conference of advanced materials ROCAM 2003 Constanta, Romania, 2003; International Workshop on advanced Optical Manufacturing and Testing Technology 2000, China, Chengdu, 2000; Frontier Science Research Confcrcncies. Crystal and Epitaxial Growth, USA, La Jolla, 2001; Eighth International Conference on Laser and Laser Information Technologies, Bulgaria, Smolyan, 2003; 4-th International Workshop on Modeling in crystal growth, Fukuoka, Japan, 2003; The-6-th international conference on crystal growth, USSR, Moscow, 1980; The 8-th international conference on crystal growth, UK, York, 1998; The 12 International conference on crystal growth, Israel, Jerusalem, 1986; The 13-th international conference on crystal growth, Japan, Kyoto, 2001; The 14-th international conference on crystal growth, France, Grenoble, 2004; The 20-th international conference on transport theory, Russia, Obninsk, 2007; The II international conference “Crystallogenesis and mineralogy”, Russia, St. Petersburg, 2007; 5ll! International Workshop on modeling in crystal growth, Bamberg, Germany, 2006; Национальная конференция по росту кристаллов НКРК-2008. Москва, 17-22 ноября 2008; The 17-th American Conference on Crystal Growth and Epitaxy, the 14th Biennial Workshop on Organometallic Vapor Phase Epitaxy, the 6-th International Workshop on Modeling in Crystal Growth, Lake Geneva, Wisconsin USA, August 9-14,2009.
Часть результатов диссертации вошла в работу "Разработка технологии изготовления крупногабаритных моносекториальных оптических элементов из кристаллов KDP и DKDP для мощных лазерных систем (скоростное выращивание, оптико-механическая обработка, исследование, внедрение)”, удостоенную Премии Правительства РФ в области науки и техники за 1978 г. Публикации
Материал диссертации включает 35 статей в реферируемых научных журналах и журналах, входящих в список ВАК, 22- работ в других журналах и сборниках, в трудах и тезисах конференций, 3 патента и авторских свидетельств на изобретение.
21
Структура диссертации отражает как логику развития исследований, так и взаимосвязи различных решаемых вопросов.
В настоящей работе не ставится задача дать полный обзор работ по водорастворимым кристаллам и их применению в лазерной технике, что, по мнению автора, может стать отдельной гносеологической задачей. Поэтому анализ известных в литературе результатов, обоснование необходимости проведения исследований и сравнение полученных результатов с известными проводятся в данной диссертации отдельно для каждой из исследуемых проблем в соответствующем параграфе.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, и заключения.
Первая глава диссертации содержит результаты исследования ряда оптических свойств кристаллов типа КХ>Р, важных для оптимального применения оптических изделий из кристаллов в лазерной технике, таких как: прозрачность кристаллов в широком диапазоне длин волн и их оптическая однородность в связи с условиями выращивания, оптическая лазерная прочность, которая зависит как от параметров лазерного излучения (длина волны, длительность импульса, структура пучка), так и от многих параметров технологии выращивания.
Важность результатов таких исследований возрастала вследствие того, что одновременно и параллельно активно проводились работы по развитию скоростной технологии профилированного выращивания кристаллов, и результаты оптических исследований напрямую влияли на выбор направления развития технологии, определение оптимальных технологических параметров. В этой же главе содержатся результаты исследования дисперсии показателей преломления смешанных кристаллов КИгц-х^хРО-ь которые, хотя и слабо, зависят от технологии выращивания, но оказались необходимыми для разработки крупноапертурных преобразователей частоты излучения ближнего ИК диапазона из “скоростных” кристаллов.
Вторая глава посвящена применениям кристаллов типа КХ)Р для управления лазерным излучением: генерация гармоник, электрооптические затворы. Решение
22
всех рассмотренных “лазерных” задач также связано с технологией выращивания. Так задача создания экономичных и эффективных генераторов гармоник мощного ИК (А. = 1,315 мкм) излучения из “скоростных” кристаллов потребовала как исследования применимости “скоростных” кристаллов как таковых, так и исследования свойств т.н. “скошенных” генераторов гармоник. Исследование генераторов гармоник с 90-градусным синхронизмом на кристаллах KD2xI'l2(i-x)PO,j, RbxK(].x)H2PO.i потребовало изучения технологии выращивания смешанных кристаллов. Качество электрооптических затворов оказалось сильно зависящим от “тонких” параметров технологии выращивания кристаллов (например, согласования степени дейтерирования затравки и кристалла), что потребовало исследования свойств кристаллов (аномальной двуосности) в тесной связи с развитием технологии выращивания.
Третья глава содержит результаты физических исследований влияния примесей А1 и Fe на кинетику роста, а так же морфологии растущей поверхности в зависимости от условий роста. Экспериментальные исследования проводятся in situ в условиях близких к условиям практического “скоростного” выращивания. Особое внимание' уделяется структуре и конкуренции холмиков роста, образованию и развитию сгустков ступеней, г.е. процессам, непосредственно влияющим на качество кристаллов. Развиваемые теоретические модели строятся так, чтобы их результаты можно было связать с измеримыми и регулируемыми технологическими параметрами.
Четвертая глава посвящена исследованиям по оптимизации технологии скоростного выращивания для достижения качества выращиваемых кристаллов, необходимого для применения в лазерных системах, а также для обеспечения устойчивости самой технологии. Большое внимание уделено вопросам обеспечения оптимальных гидродинамических режимов, созданию достаточно тонкого и однородного диффузионного пограничного слоя. Другая, часть исследований посвящена фильтрации растворов, качество которой определяет как качество кристаллов (светорассеяние), так и устойчивость раствора к массовой кристаллизации. Здесь, в частности, оказалось необходимым разработать и
23
создать специальную автоматизированную установку для исследования концентрации и распределения по размерам микрочастиц в прозрачных жидкостях.
24
1. Комплексное исследование свойств кристаллов КОР и ОКОР
1.1. Оптические свойства кристаллов КН2РО4 и К1)2Р04, выращенных с большой скоростью [1А-4А]
1. Как уже отмечалось, кристаллы группы КН2РО4 широко используются в лазерной технике. Для ряда применений требуются кристаллы с сечением ~ 1 м2 и длиной до 10 см. В общепринятых способах и скоростях выращивания (0,5 - 1 мм/сутки) [1А] цикл получения такого кристалла составляет около и более года. В ряде работ (см. например, [6-8]) сообщалось, что увеличение скорости роста, например, за счет увеличения пересыщения существенно ухудшает качество кристаллов: появляются захваты раствора, крупные прослойки, ухудшается оптическая однородность. Это, естественно, делает невозможным применение таких кристаллов.
В связи с актуальностью проблемы ускорения роста кристаллов в ИПФ РАН был предпринят поиск новых путей увеличения скорости роста кристаллов. В результате разработаны [5, ЗА, 38А, 43А] способ и устройства для выращивания кристаллов в виде моносекториальных блоков со скоростью 0,5 - 1 мм/ч с заранее заданными ориентацией оси оптической Ъ и формой поперечного сечения.
Фактически увеличение скорости получения заготовок может быть еще выше. Так, в ИПФ в первых же опытах новым способом за двое суток были выращены заготовки элементов (с поперечниками до 4 см) [2А] , для получения которых традиционным способом требуется примерно 4 месяца.
Оптические характеристики кристаллов КН2Р0.1 и К02Р0,|, выращенных по обычной технологии гранями бипирамиды (101) со скоростью ~ 1 мм/сутки (например, методом концентрационной конвекции), хорошо известны [1 А].
Сравним их с кристаллами, выращенными при больших скоростях. На рисунке
1.1 приведен пример спектров поглощения кристаллов КНР (1) и ОКОР (2, 3). Кристаллы КОР выращивались из раствора соли КН2РО4 в воде, а кристаллы ОКЭР из раствора соли К02РС>4 в 020.
25
- Київ+380960830922