利用长籽晶自由生长法生长大尺寸KDP晶体

KDP类晶体具有透光波段宽、抗激光辐照损伤性能优异、非线性转换效率高、能够生长出大口径单晶并且容易加工等众多优点,因而在惯性约束核聚变(inertial confinement fusion,ICF)装置所用的高功率激光系统中扮演着电光开关和频率转换器的角色。KDP类晶体的点籽晶快速生长法由于其在生长速度上的优势而备受晶体生长研究人员的青睐。但是点籽晶快速生长法生长的KDP类晶体中存在影响光学均匀性和抗激光损伤性能的柱锥交界面,不利于点籽晶快速生长KDP类晶体在惯性约束核聚变中高效率的频率转换。

为了快速获得不含柱锥交界面的KDP类晶体元件,同时降低对长籽晶高度的要求,中科院上海光机所强激光材料实验室的研究人员在之前提出的KDP类晶体长籽晶锥区限制生长法的基础上,又提出了一种KDP类晶体的长籽晶自由生长法。该方法在保持了KDP类晶体的长籽晶锥区限制生长法形状优势的前提下,放宽了对长籽晶高度的严格限制,长籽晶的高度小于载晶架的高度即可,同时无需更换载晶架即可生长不同高度的KDP类晶体,提高了载晶架的兼容性。研究成果以Rapid growth of a long-seed KDP crystal为题发表在High Power Laser Science and Engineering 2020年第1期上。

研究人员利用一块尺寸为20 mm × 20 mm × 260 mm长籽晶,经过70天的降温生长,成功生长得到一块尺寸为471 mm × 480 mm × 400 mm、重量254 kg的大尺寸长籽晶自由生长KDP晶体。该晶体质量高,透明度良好,内部无肉眼可见的宏观缺陷;(200)面的高分辨X射线衍射(XRD)峰半高全宽(FWHM)为0.010°;355 nm处的透过率82.9%,透过率比长籽晶锥区限制生长DKDP晶体略高;抗激光损伤性能优异,三倍频元件50%损伤概率对应的激光通量是18.5 J/cm2 (3 ns, 355 nm)。

在成功生长出大尺寸长籽晶自由生长KDP晶体的基础上,研究人员于今年年初又以长籽晶自由生长法成功生长出了一块大尺寸DKDP晶体,所用长籽晶的高度是320 mm,该晶体尺寸为470 mm × 490 mm × 560 mm,可以切割出高功率激光装置所用的430 mm口径无柱锥交界面的三倍频元件。

      

长籽晶KDP晶体(471 mm × 480 mm × 400 mm)和(200)面的高分辨XRD光谱

长籽晶KDP晶体的透过光谱和激光损伤概率曲线

长籽晶自由生长法生长的大尺寸DKDP晶体(470 mm × 490 mm × 560 mm)

英文版已经发到过中科院英文网站:
http://english.cas.cn/newsroom/research_news/phys/202003/t20200302_230415.shtml