受到晶体尺寸以及非线性光学性能的影响，目前可供选择的非线性晶体非常有限。DKDP晶体作为传统大尺寸光电材料，在光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)装置中得到了应用。高氘化的DKDP晶体有更好的光学性能，然而生长出高氘化DKDP晶体对生长环境等有更加严格的要求。本文通过改良的原料合成罐以及生长槽，采用点籽晶快速生长法成功生长出高氘DKDP晶体。按照Ⅰ类(θ=37.23°, φ=45°)切割方式制备样品，并对其氘含量、透过率、光学均匀性以及晶体激光损伤阈值进行测试。实验结果表明，晶体的平均氘含量达到98.49%，在可见近红外波段下具有较宽的透过波段和较高的透过性能。Ron1的测试结果显示，在3 ns、527 nm条件下，DKDP晶体的激光损伤阈值达到了19.92 J/cm2。晶体光学均匀性均方根达到了1.833×10-9，表明晶体具有良好的光学均匀性。

磷酸二氢钾(KDP)类晶体快速生长主要采用点籽晶快速生长方法，三维生长的点籽晶不可避免的会使晶体产生柱锥交界线，从而影响晶体的性能和质量。本文通过所设计的载晶架，改进传统点籽晶快速生长方法，采用点籽晶定向生长方法，成功生长出磷酸二氘钾晶体(70%DKDP)，避开生长晶体中的柱锥交界线取片，并对其氘含量、透过率、抗激光损伤性能以及光学均匀性等指标进行了测试。结果表明：所生长的晶体氘含量符合设计要求，晶体透过率和抗激光损伤性能和传统点籽晶快速生长晶体保持一致。光学均匀性结果表明样片内部无柱锥交界线，对于大口径70%DKDP晶体的生长具有指导意义。

为在新型太阳能电池等先进光电器件中成功应用ZnO纳米柱阵列,需要以高沉积速率生长ZnO纳米柱,并能够对纳米柱的形貌与光电物理性质进行操控。使用电沉积方法制备ZnO纳米柱阵列,在主电解液中加入了六次甲基四胺,对所制备的ZnO纳米柱阵列的形貌与光电物理性质进行了测试分析。六次甲基四胺能够大幅提升ZnO纳米柱的生长速率,相比未使用六次甲基四胺的电解液配方,ZnO纳米柱的生长速率提高了356%。同时,纳米柱的直径与阵列密度得到有效降低,纳米柱间距增大至58 nm。六次甲基四胺的引入使ZnO纳米柱的光学带隙约红移了0.12 eV。在六次甲基四胺的作用下,ZnO纳米柱的斯托克斯位移减小0.15 eV,非辐射复合受到抑制。通过使用六次甲基四胺,实现了ZnO纳米柱的快速电沉积生长,同时实现了对纳米柱的光学带隙、近带边发射、斯托克斯位移、非辐射复合等光电物理性质的操控。

概述了本课题组在KDP类晶体快速生长领域的研究及进展情况。通过集成生长设备的管道系统、升级连续过滤系统、研发晶体生长过程的实时监控系统以及高精度退火设备, 实现晶体生长系统的集成化; 通过数值模拟优化晶体表面流场状态、全流程量化控制实现晶体稳定生长以及精密热退火进一步提升晶体性能; 针对点籽晶快速生长KDP类晶体中存在的柱锥交界面问题, 相继提出了长籽晶锥区限制生长法和长籽晶自由生长法, 为大尺寸高性能KDP类晶体生长提供新的技术方案。

采用无模板化学气相沉积法, 以二茂铁为催化剂, 二甲苯为碳源, 利用单温炉加热装置制备了定向碳纳米管阵列。运用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线衍射仪等对定向碳纳米管阵列的形貌、成分和物相进行细致的分析和表征。结果表明: 制得的碳纳米管阵列具有良好的定向性和多壁管状结构, 并且石墨化程度高; 碳纳米管中除碳元素外, 管中包含有少量以纳米颗粒和纳米线形式存在的铁及其化合物, 主要成分是铁和碳化铁。结合碳纳米管的制备和透射电子显微镜分析表征结果, 认为超长碳纳米管阵列的生长模式为底部生长方式, 即经历催化剂分解、催化、成核、长大、中毒、凝聚成粒和连接成线的循环过程, 正是由于碳源和催化剂的连续供应促成了碳纳米管阵列的快速定向生长。

主要研究大口径KDP晶体的高强度三倍频性能。采用正交偏振干涉法测量了晶体的光轴均匀性分布，并在神光III原型装置上利用快速生长二倍频晶体开展了高强度三倍频实验，验证了折射率均匀性分布对三倍频效率和近场的影响。实验结果表明，大口径快速生长KDP晶体的三倍频性能基本上满足神光III装置的要求，但快速生长晶体的受激拉曼散射增益系数和激光损伤阈值等性能仍有待进一步考核。

采用一种无模板的化学气相沉积法裂解金属有机物，以二茂铁为催化剂，二甲苯为碳源，利用单温炉加热装置在100 min内成功制备了2.7 mm超长定向碳纳米管阵列，生长速率高达27 μm·min-1。运用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱对定向碳纳米管阵列进行形貌观察和表征，结果表明: 制得的碳纳米管阵列具有优越的定向性和管结构,并且石墨化程度高。给出了快速生长超长定向碳纳米管阵列的优化制备条件,结合表征结果讨论了碳纳米管阵列的生长机制，认为超长碳纳米管阵列采用的是一种催化剂固定不动的开口生长方式，碳源和催化剂的连续供应保证了超长碳纳米管阵列的快速生长。

大尺寸磷酸二氢钾(KDP)晶体在惯性约束聚变系统中主要用于制作变频及开关光学元件。在传统生长技术基础上, 开展了点籽晶降温法大尺寸KDP晶体的快速生长技术研究, 设计制作大型培养槽及载晶架, 采用过热注种方式试验点籽晶生长, 培育出尺寸50 cm×50 cm×41 cm的KDP大单晶, 其(100)面生长速度稳定为15 mm/d。晶体在300~1 100 nm波段的透过光谱与常规生长的等同, 影响晶体生长及光学品质的主要的金属杂质离子Fe3+, Cr3+, Al3+等含量少于10-6, 晶体激光损伤基频阈值30 J/cm2, 三倍频阈值达到8.6 J/cm2。

采用正交偏振干涉测量法获得了典型的快速(RG)和传统(CG)生长的KDP晶体折射率空间分布,数值模拟了倍频晶体固定失谐角分别为0和220 μrad时晶体折射率不均匀性对高功率三倍频光转换效率的影响.结果表明:快速生长晶体的折射率不均匀性的均方根约为传统生长晶体的6倍;三倍频转换效率在低功率密度下对折射率不均匀性不敏感,在高功率密度下尤其是转换效率较高时很敏感;当混频过程中的二倍频光不过剩时,在晶体折射率变化对三倍频效率的影响方面,倍频晶体比混频晶体严重;目前国产的传统生长晶体可以满足高功率三倍频实验要求.