Кристаллы типа kdp для мощных лазерных систем: проблемы скоростного роста и оптические свойства
| На правах рукописи |
| Бредихин Владимир Иосифович |
| КРИСТАЛЛЫ ТИПА KDP ДЛЯ МОЩНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ: ПРОБЛЕМЫ СКОРОСТНОГО РОСТА И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА |
| 01.04.21 – лазерная физика |
| Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук |
| Нижний Новгород — 2010 |
| Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН |
| Официальные оппоненты: |
| доктор технических наук, профессор Рашкович Леонид Николаевич, Московский Государственный Университет им. М.В.Ломоносова Россия 119991Москва, ГСП-1, Ленинские горы доктор физико-математических наук, профессор Чупрунов Евгений Владимирович, Нижегородский Государственный Университет им. Н.И. Лобачевского Россия 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 доктор физико-математических наук, профессор Серебряков Виктор Анатольевич, НИИ лазерной физики при Санкт- Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики, Россия 197101 г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 |
| Ведущая организация: ФГУП НИИ "Полюс" им. М.Ф.Стельмаха, г. Москва |
| Защита состоится ________________________2011 года на заседании диссертационного совета Д 002.063.02 в Институте Общей Физики РАН им. А.М. Прохорова, (119891 Москва, ул. Вавилова, 38) |
| С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Общей Физики РАН им. А.М. Прохорова |
| Автореферат разослан ______декабря 2010 г. |
| Учёный секретарь диссертационного совета Макаров В.П. |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Водорастворимые кристаллы KD*P (КН2(1-х) D2хРО4), ADP, CDA, RDA, -LiIO3 и др. не встречаются в природе. Они выращиваются искусственно из водных растворов соответствующих солей КН2РО4, (КD2РО4) и др. при «тепличных» температурах (~ 20-90°С). Однако, они хорошо известны в науке и технике. Ещё во времена 2-ой мировой войны кристаллы KDP пытались применять в гидроакустике [1]. 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 мощностью > 1 ГВт/см2 и энергией в импульсе ( = 10-15 – 10-4 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, высокоэнергетичных 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 40х40 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 находят применение в таких современных проектах как NIF (США), LMJ (Франция), GEKKO (Япония), Искра-5 и Искра-6 (Россия) и др., направленных на изучение взаимодействия сверхмощного оптического излучения с веществом и, в частности, на изучение 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 первых успешных опытов по удвоению частоты излучения рубинового лазера в кристалле KDP в 1962г. [2-4]. В НИРФИ (г. Горький) первый кристалл KDP оптического качества был выращен в 1963г. С тех пор в НИРФИ, а с 1977г. 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 KDP [5,10,2А-4А,38А], позволяющего выращивать непосредственно кристаллические заготовки будущих оптических элементов с заданными размерами, формой и кристаллографической ориентацией со скоростью роста на порядок превышающую скорость в традиционных технологиях. Разработка скоростной технологии, сопровождавшаяся резким ростом размеров оптических элементов (с апертуры ~ 10х10 см2 в 1985г. при двух типах ориентации до ~40х40 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.
Цели диссертационной работы. Основной целью работы было создание физических основ разработки элементной базы мощных лазерных систем с применением водорастворимых кристаллов. Здесь, видимо, необходимо остановиться на многоплановости, 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, массоперенос 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 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:
- “Лазерное” качество кристаллов KDP, DKDP (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 сырья[1] ) качество “скоростных” кристаллов может быть значительно выше.
- 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 последующего решения обратной задачи.
3. “Скошенные” крупноапертурные генераторы гармоник из “скоростных” кристаллов KH2(1-x)D2xPO4 при преобразовании частоты мощных лазерных систем с = 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 Гц, число импульсов до 104), в отличие от кристалла LiIO3, 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 см2), 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 оптимальностью питания растущей грани, т.е. с гидродинамикой раствора, и с качеством фильтрации растворов, а величина светорассеяния, как параметр качества кристалла, может служить основным индикатором оптимальности условий роста. В частности, величина светорассеяния связана с релаксационными колебаниями диффузионного слоя.
Научная и практическая значимость диссертационной работы.
Научная и практическая значимость диссертационной работы по существу, следует из всего вышеизложенного материала. Объективное и оперативное сравнительное исследование оптических свойств “скоростных” и “традиционных” кристаллов дало возможность резко изменить понимание механизмов роста кристаллов из растворов, открыло возможность применения “скоростных” кристаллов и обозначило направления дальнейшего развития скоростной технологии профилированного выращивания кристаллов типа KDP. Полученные результаты по дисперсии показателей преломления кристаллов DKDP, 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”, “Искра 5”,“Луч”, а так же установки Perun (Чехия) в режим работы на гармониках основного излучения [15А-19А]. Результаты поляризационных исследований кристаллов DKDP (аномальной двуосности) дали возможность разработать технологию выращивания кристаллов с малой двуосностью и изготовить уникальные высококонтрастные электрооптические затворы с апертурой D ~70 мм.
Результаты по широкополосному 90-градусный синхронизму при удвоении частоты света в смешанных кристаллах KH2(1-x)D2xPO4 и RbxK(1-x)H2PO4 во всем интервале изменения x существенно расширили возможности нелинейной оптики больших мощностей с использованием этих кристаллов.
Отдельное место в диссертационной работе занимают результаты по физике роста кристаллов из растворов: исследованию 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 развития технологии выращивания, поскольку дальнейшее ее развитие по пути увеличения размеров кристаллов, увеличения эффективности технологии, а самое главное, обеспечения высокого качества кристаллов, без ясного понимания процессов роста, процессов дефектоообраования на данном этапе невозможно.
Исследования по оптимальным условиям скоростного роста (влиянию гидродинамики, фильтрации 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.
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 РАН, материалы, вошедшие в работу, докладывались на семинарах ИПФ РАН. Работа в целом была представлена на квалификационном семинаре ИПФ 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), Russia, Moscow, 2002; International Conference “Solid State Lasers for 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 for 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 Conferences 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 th 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; 5th International Workshop on modeling in crystal growth. Bamberg, Germany, 2006., Национальная конференция по росту кристаллов НКРК-2008. Москва, 1722 ноября 2008; The 17th American Conference on Crystal Growth and Epitaxy, the 14th Biennial Workshop on Organometallic Vapor Phase Epitaxy, the 6th 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 в 1998 г.
Публикации.
В общей сложности по теме диссертации опубликованы 35 статей в реферируемых научных журналах и журналах, входящих в список ВАК, 22 работы в других журналах и сборниках, в трудах и тезисах конференций, получено 3 патента и авторских свидетельств на изобретение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
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.
Введение содержит обоснование важности исследования физических проблем использования «скоростных» кристаллов в лазерной технике и нелинейной оптике. В частности приведена краткая историческая справка, из которой следует, что, несмотря на то, что кристаллы типа KDP были одним из первых материалов нелинейной оптики, важность и актуальность их исследования сохраняется до настоящего времени. Диссертация не содержит детального описания технологии и аппаратуры скоростного профилированного выращивания кристаллов. Однако, в связи с тем, что основные результаты получены на основе этой технологии, и для облегчения читателю понимания основного материала, здесь же приведен краткий обзор методов выращивания кристаллов, включая «скоростные» методы. С этой же целью приведем этот обзор далее.
Традиционный (медленный) рост [1А,11]
Используют затравку в виде пластины z –ориентации (вариант-затравка 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 R ~ 0,5 мм/сутки. На рис. 1 показан пример [1А] кристаллизатора для выращивания кристаллов KDP, DKDP 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.
Рис. 1 Рис. 2
Рис. 1. Схема установки: 1 электропривод, 2- контрольный термометр, 3-ось крепления кристалла, 4-контактный термометр, 5-кристаллизатор: 6-капроновый фильтр, 7-нагреватель, 8-воздушный термостат, 9-вставка, 10 - растущий кристалл; Iа-ростовая зона, Ib- зона с истощенным раствором, Iс - зона нагрева; II-растворительная камера.
Рис. 2. Кристалл KDP с размерами 14х14х35 см.
На рис. 2 показан образец кристалла KDP [1А] с размерами ~ 16х16х35 см3, 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 показанного кристалла составило около года.
Из этого кристалла можно, в принципе, изготовить несколько (4-6) элементов преобразования частоты II типа ( = 0) с размером поперечного сечения до 16х16 см2 или I типа (( = 45) с размером поперечного сечения до 12х12 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].
В [12] исследована возможность модернизации описанного метода (с рециркуляцией раствора для создания пересыщения, с использованием относительно быстрого реверсивного вращения кристалла в сочетании с системой мешалок для создания однородной гидродинамики) для увеличения скорости роста. Утверждается, что для кристаллов KDP достигается скорость роста до 10 мм/сутки [12]. Замечания относительно характеристик кристаллов, высказанные выше, остаются в силе.
Скоростной метод выращивания на точечной затравке (МГУ - LLNL) [6-9, https://lasers.llnl.gov/about/nif/seven_wonders.php]
Берется маленькая (точечная) затравка z –ориентации (рис. 3), 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. При 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 [7-9].
В разработанной в LLNL технологии используется кристаллизатор с объемом раствора ~ 1000 л. Выращиваются полногранные кристаллы с характерными размерами до 50х50х50 см3 и массой до ~ 300 кг. Пример выращенного по методу МГУ - LLNL показан на рис. 4. Длительность выращивания около 1 месяца. Из этого кристалла можно, в принципе, изготовить несколько (4-6) элементов преобразования частоты II типа ( = 0) с размером поперечного сечения до 50х50 см2 или I типа (( = 45) с размером поперечного сечения до 36х36 см2. Отходы при вырезке заготовок элементов составляют до 70% и более [https://lasers.llnl.gov/about/nif/how_nif_works/optics.php].
Рис. 3 Рис. 4
Рис. 3. Схема «скоростного выращивания на точечной затравке
1-«точечная» затравка, 2- платформа, 3 – кристалл, 4- раствор, 5- сосуд с раствором.
Рис.4. Кристалл KDP, выращенный по методу МГУ –LLNL (https://lasers.llnl.gov/about/nif/seven_wonders.php).
Скоростное выращивание между параллельных вращающихся пластин [патент WO 98/59097, Франция]
Сущность скоростного метода между параллельных вращающихся пластин ясна из рис. 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 граней 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.
Рис. 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.
Скоростной метод профилированного роста (ИПФ РАН) [5, 10, 2А-4А, 38А]
Берется ориентированная нужным образом затравка необходимого размера и формы (квадрат, прямоугольник, круг), укладывается на дно формообразующей ячейки (ящик) (рис. 6 и рис. 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. Пересыщение создается за счет снижения температуры. 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. 7. На рис 8 и 9 показаны схема и общий вид кристаллизатора для профилированного выращивания в узкой щелевидной ростовой ячейке. Образцы выращенных в ИПФ РАН “скоростных” кристаллов-заготовок 1-3 вместе с готовым оптическим элементом 4 (в упаковке) и образцами кристаллов, выращенных традиционным методом 5 и на точечной затравке 6, показаны на рис.10.
Преимущества
- нет межсекториальных границ - источников дефектов
- управляемая, постоянная независимо от размеров выросшего кристалла гидродинамика. Эти пункты обеспечивают потенциальные преимущества по качеству кристаллов.
- практически безотходный метод
- малые объемы аппаратуры и растворов. Пункты 3 и 4 обеспечивают высокую экономичность.
Пример: Для получения заготовки элемента второго типа с сечением 40х40 см2 по методу МГУ требуется вырастить кристалл весом 300-400 кг (при весе элемента 4 - 5 кг). Объём раствора, приходящийся на 1 элемент, составляет до 200 л.
По методу ИПФ выращивается заготовка на 3-4 элемента весом 20-30 кг с размерами ~40х40х6 см3, 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 DKDP с использованием D2O важность малого объема раствора резко возрастает) обеспечивают существенный экономический выигрыш по сравнению с другими методами.
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 разработчиков этого метода, обеспечивал комплексное физическое исследование оптических, нелинейно-оптических свойств кристаллов, связи дефектной структуры кристаллов с условиями выращивания, применений «скоростных» кристаллов в мощных лазерных системах[2].
Рис. 6. Скоростное профилированное выращивание кристаллов-заготовок оптических элементов.
Рис. 7. Различные пути выращивания кристаллов - заготовок KDP (DKDP)
1-(101) ориентированный блок для разрезки на элементы преобразования частоты II- типа; 2-(001) z- ориентированные пластины для ячеек Поккельса; 3-пластины для элементов преобразования частоты II- типа;
4- пластины для элементов преобразования частоты I- типа.
Рис 8. Схема кристаллизационной установки для выращивания кристаллов-заготовок. 1- сосуд; 2- ростовая ячейка; 3-сопло-питатель; 4-помпа; 5-термостат; 6-нагреватель.
Рис. 9. Кристаллизационная установка для выращивания ориентированных кристаллических заготовок с размером поперечного сечения до ~ 35х35 см2.
Рис. 10. Образцы кристаллов и оптических элементов
1, 3 – заготовки элементов преобразования частоты II типа (KDP и DKDP); 2 -– заготовка элементов преобразования частоты I типа (DKDP); 4-оптический элемент преобразования частоты II типа (KDP); кристалл KDP с размерами 14х14х35 см3 (см. рис. 2); кристалл DKDP, выращенный на точечной затравке.
Первая глава диссертации содержит результаты исследования ряда оптических свойств кристаллов типа KDP, 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 результате было установлено (п.п. 1.1-1.4), что кристаллы, выращиваемые с большой скоростью и профилированием по оптическим свойствам (оптическая прозрачность, однородность и лазерная прочность) не отличается принципиально от “традиционных” кристаллов. Более того, благодаря моносекториальности, отсутствию слоев роста и возможности использования высокочистого исходного сырья, качество “скоростных” кристаллов может быть значительно выше. Так, при использовании одного и того же сырья поглощение в УФ области в “скоростных” кристаллах, выращенных гранью пирамиды (101), практически не отличается (рис.11) от поглощения в “традиционных” кристаллах (поглощение в ИК области совпадает). При использовании более чистого сырья (а также повышения кислотности раствора) поглощение в “скоростных” кристаллах в УФ области снижается [5А]. Прозрачность “скоростных” кристаллов, выращенных гранью призмы (100), в УФ области существенно ниже прозрачности “традиционных” кристаллов. Однако это связано не с повышенной скоростью роста, а с повышенным захватом этой гранью примесей Fe, Al и др. [2A, 5А]. Поэтому прозрачность “скоростных” кристаллов, выращенных гранью призмы (100), в УФ области совпадает с прозрачностью бокового прироста “традиционных” кристаллов (рис. 12). Этот факт ограничивает, естественно, область применимости “скоростных” кристаллов, выращенных гранью призмы.
Рис.11. Характерные спектры поглощения кристаллов KDP (4, 5) и DKDP (6, 7), выращенных со скоростями 1 и 0,4 мм/ч соответственно, по сравнению со спектрами поглощения “традиционных” кристаллов (скорость 0,5 мм/сутки): кривые 1 и 2 соответствуют спектрам поглощения сектора (101) “традиционных” кристаллов KDP и DKDP, кривая 3-сектору (100) “традиционного” кристалла KDP. Кривые 4 и 6 соответствуют образцам, образованным секторами роста грани пирамиды {101}, а кривые 5, 7 - секторами роста грани призмы {100}.
Моносекториальность“скоростных” кристаллов (рис.12) дала возможность, например, по развитии технологии скоростного профилированного выращивания (одной гранью) построить на основе монокристаллов DKDP со степенью дейтерирования до 90% с поперечным сечением ~ 70x70 мм и длиной до 100 мм электрооптические затворы - развязки для мощной лазерной установки “Луч” [9А,32А], обеспечивающие средний контраст ~ 103 в апертуре 70 мм (рис. 13).
В п.1.4 приведены результаты исследования оптической стойкости “скоростных” кристаллов в режиме одиночных выстрелов (длительность импульса 1 нс) на длинах волн первой и третьей гармоник излучения неодимового лазера, показывающие что стойкость “скоростных” кристаллов при оптимальных режимах выращивания и применения пост - ростовой термической обработки соответствует перспективным требованиям мощных лазерных систем (рис. 14).
Сравнительная сводка характерных параметров “лазерного” качества традиционных и скоростных кристаллов на раннем (1982 г.) и современном (2007 г.) этапах развития скоростной профилированной технологии представлена в табл. 1.
Таблица 1. Сводка характерных параметров “лазерного” качества “традиционных” и “скоростных” кристаллов
| “Традиционные” кристаллы, були 12·12·30 см3 (1980 ) | “Скоростные” кристаллы, образцы 4·4·4 см3 (1982) | “Скоростные” кристаллы, заготовки элементов, до 40·40·5 см3 (2007) | |
| Оптическая однородность (nL) | ~10-8 м (регулярные дефекты типа слоев роста и следов дислокаций) | ~10-7 м (отдельные дефекты типа слоев роста и следов дислокаций) | ~ 10-8 м (единичные дефекты типа слоев роста и следов дислокаций) |
| Аномальная двуосность 2V | ~20 | ~20 (KDP), 40 (DKDP) | 2V < 20 |
| Коэффициент поглощения (0,225 мкм) | ~ 0,1 см-1 (KDP, (101)) ~0,2 см-1 (DKDP, (101)) | ~ 0,3 см-1 (KDP,(101)) 0,4 см-1 (DKDP, (101)) | < 0,1 см-1 |
| Порог пробоя | 3 - 5 ГВт/см2 = 1,06 мкм, = 40 нс. | 2 - 3 ГВт/см2 = 1,06 мкм, = 40 нс. | до 20 ГВт/см2 = 1,06 мкм, = 1 нс (на уровне плавленого кварца КУ1). |
В п. 1.4 также показано, что кристаллы KDP (независимо от технологии выращивания) на длинах волн 1,06 и 0,53 мкм при числе импульсов до 104 не обладают собственным механизмом накопления лазерных повреждений, что важно для их применений в силовой нелинейной оптике. Здесь же показано, что для нелинейно оптических кристаллов -LiIO3, напротив, существенно наличие фототермохимических процессов разрастания микронеоднородностей при поглощении (линейным или нелинейным образом) лазерного излучения, приводящих к «старению» кристаллов.
Показано, что наличие в лазерном импульсе случайной временной структуры приводит к эффекту накопления дефектов в кристаллах KDP и постепенному падению оптической стойкости, связанному с микропробоями в субимпульсах лазерного излучения при их самофокусировке.
Построены феноменологические модели лазерного «старения» кристаллов -LiIO3 и накопительного эффекта падения стойкости кристалла KDP при облучении лазерными импульсами со случайной временной структурой.
П. 1.5 посвящен исследованиям с использованием разработанного в диссертации нелинейно-оптического метода (путем измерения углов синхронизма преобразования частоты на ряде длин волн и типов синхронизма и последующего решения обратной задачи) измерениям дисперсии показателей преломления дисперсии показателей преломления в нелинейно-оптических кристаллах KH2(1-x)D2xPO4 в широкой области спектра. В результате получена поправка к известным дисперсионным зависимостям [13,14], справедливая для всех степеней дейтерирования x и наиболее существенная в ИК области (включая актуальную область 1,315 мкм), что было важно для разработки крупноапертурных умножителей частоты для мощных иодных лазеров [15А-19А] и широкополосных параметрических усилителей чирпированных импульсов для лазерных систем мощных фемтосекундных импульсов [34A, 39A,40A].
Вторая глава посвящена применениям кристаллов типа KDP для преобразования частоты лазерного излучения. Решение рассмотренных “лазерных” задач также связано с технологией выращивания.
Так, задача создания экономичных и эффективных генераторов гармоник мощного ИК ( = 1,315 мкм) излучения из “скоростных” кристаллов потребовала как исследования применимости “скоростных” кристаллов, как таковых, так и физического обоснования т.н. “скошенных” генераторов гармоник (п. 2.1).
Показано, что генераторы гармоник из “скоростных” кристаллов (в т.ч. “скошенные”) по физическим и техническим свойствам не уступают генераторам из “традиционных” кристаллов (рис. 15) [3А,14А].
а) б)
Рис. 12. Типичное распределение аномальной двуосноcти 2V, показывающее секториальное строение кристалла, по сечению кристалла KDP, выращенного традиционным методом а) и в кристалле, выращенном скоростным методом б).
Исследование генераторов гармоник с 90-градусным синхронизмом на кристаллах KD2xH2(1-x)PO4 (п. 2.2), RbxK(1-x)H2PO4 (п.2.3) потребовало изучения технологии выращивания смешанных кристаллов (п.2.3.). В результате показано, что кристаллы KH2(1-x)D2xPO4 (при 0 < х < 1) и RbxK(1-x)H2PO4 (х < 0,16,реально выращенные образцы) перекрывают возможность получения 90-градусного синхронизма при удвоении частоты в относительно широком диапазоне длин волн 0,505 0,550 мкм (рис. 16).
Рис. 13. Распределение контраста пропускания в скрещенных и параллельных поляризаторах в кристалле DKDP (степень дейтерирования D = 93%) с размерами ~ 90х100х90(z) мм.
Рис. 14. Влияние отжига кристаллов KDP (t = 150 C) на порог лазерного пробоя на первой 1 (а) и третьей 3 (б) гармониках.
Третья глава содержит результаты физических исследований процессов роста кристаллов типа KDP, необходимых для понимания особенностей скоростного роста и причин дефектообразования. В п. 3.1 приводятся результаты исследований по влиянию различных примесей на кинетику роста, проведенных в условиях гравитационно - концентрационной конвекции. Примеры полученных кинетических зависимостей скорости R роста грани (100) от переохлаждения t в чистых растворах и с добавками Al3+ и Fe3+ приведены на рис. 17. Показанные зависимости показывают, что кроме известной ранее [1A] особой точки, т.н. мертвой зоны tм, ниже которой грань призмы (100) не растет, существует точка излома t1 > tм, в которой кинетический коэффициент резко увеличивается. При t < t1 рост кристалла определяет кинетическая стадия, а при t > t1 — диффузионная. Примеси Аl3+ и Fe3+, входя в изломы растущей ступени, резко уменьшают кинетический коэффициент роста, что и делает определяющей кинетическую стадию при t < t1. В случае t > t1 включаются заблокированные изломы ступеней, что приводит к резкому увеличению кинетического коэффициента и переводу роста кристалла в диффузионный режим. Таким образом, влияние примесей на рост кристалла сводится к образованию порогового эффекта резкого увеличения скорости роста кристалла при переохлаждении t > t1 и уменьшению кинетического коэффициента при t < t1. По экспериментальным данным в приближении изотермы адсорбции Ленгмюра оценена величина энергии адсорбции примесей Аl3+ и Fe3+ гранью (100) KDP ~ 15 ккал/моль.
Рис. 15. Зависимость физического КПД (по мощности) от мощности падающего излучения в нормальных (светлые точки) и скошенных (темные точки) элементах из KDP (, ) и DKDP (, кружки) при L=1,8 (•), 2,5 (, квадраты) и 4 см () для взаимодействия типа ooe ( ) и oee (квадраты и кружки).
а) б)
Рис. 16. Области существования 90-градусного синхронизма при удвоении частоты излучения для кристаллов KD2xH2(1-x)PO4 (а) и RbxK(1-x)H2PO4 (б). На рис (б)точками показаны температуры синхронизма исследованных кристаллов на = 0,532 мкм, пунктиром – соответствующие перестроечные кривые.
Рис. 17. Зависимость скорости роста R100 от переохлаждения t
при различных концентрациях примесей: а — Al З+, б — FeЗ+, 1 — без добавок, 2 — 10-4,3 — 10-3 мас.%.
Результаты исследований морфологии растущей поверхности в зависимости от условий роста приведены (п.п. 3.2-3.4). Экспериментальные исследования проводятся in situ по разработанному в диссертации оптическому теневому методу [27A] в условиях, близких к условиям практического “скоростного” выращивания. Схема экспериментальной установки показана на рис. 18. Теневой метод регистрирует угол отклонения между различными участками растущей поверхности. Реализованная чувствительность составила около угловой минуты, что оказалось достаточным для регистрации и исследования морфологии ростовых центров, и ее зависимости от ростовых условий, а также сгустков ступеней. Особое внимание уделяется структуре и конкуренции холмиков роста, образованию и развитию сгустков ступеней, т.е. процессам, непосредственно влияющим на качество кристаллов. На рис. 19 показан пример смены топологии ростовых холмиков при изменении условий роста (увеличении скорости роста R).
В пп. 3.3., 3.4 приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований сгустков элементарных ступеней. Экспериментально in situ показано, что сгустки ступеней часто образуют бегущие от ростового центра квазипериодические волны (иногда наблюдаются также одиночные сгустки), со скоростью, меньшей скорости движения одиночных элементарных ступеней (см. рис. 20). Параметры волн сгустков (скорость, длина волны, амплитуда) зависят от скорости роста и условий роста (интенсивности потока раствора). Для объяснения экспериментальных данных предложена феноменологическая модель [28A, 29A, 54A–60A] нестационарного диффузионного слоя постоянной толщины, которая удовлетворительно описывает как квазипериодические волны сгустков, так и одиночные, квази- солитонные сгустки, наблюдающиеся в эксперименте. Математически модель состоит из двумерного нестационарного уравнения диффузии в диффузионном слое, описывающего относительное пересышение (x,y.t); одномерного нестационарного уравнения движения плотности элементарных ступеней n(x,t) [11] на поверхности кристалла n(x.t); нелинейного граничного условия третьего рода [15], связывающего относительное пересыщение на растущей поверхности (x,0.t) с плотностью элементарных ступеней и граничного условия (x,.t)==const., где - относительное пересыщение в объеме раствора. Проведен приближенный анализ этой модели для решений в виде стационарных бегущих связанных волн n() и (,y) (=x-Vt – “бегущая” координата, V – скорость волны), который позволил рассчитать волны плотности ступеней и соответствующие волны относительного пересыщения в диффузионном слое при ростовых параметрах, соответствующих экспериментальным условиям. На рис. 20 показаны сгустки ступеней на грани (101) кристалла KDP и теоретически численно рассчитанная бегущая волна плотности элементарных ступеней, соответствующая этим сгусткам. Основные параметры найденной волны n() и экспериментально наблюдаемой волны сгустков (период, скорость, амплитуда) практически совпадают. Аналогичные результаты получены для одиночных сгустков, для которых получено соответствующее численное квазисолитонное решение. Рис. 21 даёт представление о волне относительного пересыщения в объёме диффузионного слоя.
Рис. 18. Схема оптической теневой установки для исследования морфологии растущей поверхности in situ. 1- рассеивающий экран, 2-объектив, 3, 5-плоские оптические окна, 4-растущий кристалл, 6- видеокамера.
Рис. 19. Смена топологии ростовой поверхности при увеличении скорости роста R при последовательном увеличении скорости роста R от 0,1 до 1,6 мм/час.
Четвертая глава посвящена исследованиям условий скоростного выращивания для достижения качества выращиваемых кристаллов, необходимого для применения в лазерных системах, а так же для обеспечения устойчивости самой технологии. Большое внимание уделено вопросам обеспечения оптимальных гидродинамических режимов, созданию достаточно тонкого и однородного диффузионного
Рис. 20. Сгустки ступеней, наблюдаемые при росте кристалла KDP (А – теневой снимок in situ, В-профиль яркости вдоль линии l, пропорциональный плотности элементарных ступеней). С - теоретический профиль волны плотности элементарных ступеней (волны сгустков).
Рис. 21. Волна относительного пересыщения в объеме диффузионного слоя. Значение y = 1000 соответствует границе толщины диффузионного слоя y =, а значение = 1000 соответствует двум длинам волн периодических сгустков.
пограничного слоя (п.п. 4.1-4.3). Это связано с тем, что условия роста кристаллов в реальных технологиях существенно сложнее, чем в теоретических моделях (п.3.2); скорость потока раствора и, следовательно, толщина диффузионного слоя неоднородны по растущей поверхности и не постоянны во времени. Так, в скоростной технологии [5,2А-4А,38А,43А] профилированного роста раствор подается на растущую поверхность через периодически перемещающееся вдоль поверхности сопло, а в скоростной технологии [6-9] полногранного роста кристалл вращается реверсивно по специальной программе. К тому же кристалл растет, как правило, не одним центром роста, а в технологии [6-9] и не одной гранью. Поэтому полностью теоретически просчитать совершенство роста в настоящее время не удается. Это ставит задачу проведения модельных экспериментов и теоретических исследований роли различных ростовых параметров на качество выращиваемых кристаллов. Проведено численное моделирование релаксации относительного пересыщения на растущей поверхности при периодическом импульсном потоке раствора на поверхность при использовании граничного условия третьего рода [15]. Результаты численного моделирования использованы при анализе экспериментов по влиянию режимов роста на качество кристалла. При этом в качестве индикатора качества выбрана величина светорассеяния (ex situ) в кристалле. В процессе выращивания менялись скорость роста, величина потока раствора (обороты помпы), ширина сопла-питателя, высота питателя над растущей поверхностью. Рис. 22 показывает примеры зависимости величины светорассеяния от оборотов помпы (интенсивности потока раствора). В результате проведенных экспериментов показано наличие оптимальных параметров питания, связанных с процессами релаксации приповерхностного диффузионного слоя. На основе полученных модельных и экспериментальных результатов предложены критерии масштабирования кристаллизационных установок: величина потока раствора на единицу растущей поверхности, период питания и величина скважности питания растущей поверхности (относительная ширина сопла – питателя).
Рис. 22. Светорассеяние в двух кристаллах, выращенных при различных оборотах помпы. Светорассеяние дано в относительных единицах величины светорассеяния в “эталонном” образце из стекла ТФ111.
Другая часть исследований (п. 4.4) посвящена фильтрации растворов, качество которой определяет как качество кристаллов (светорассеяние), так и устойчивость раствора к массовой кристаллизации. Здесь, в частности, оказалось необходимым разработать и создать специальную автоматизированную установку
[23А] для исследования концентрации и распределения по размерам микрочастиц в прозрачных жидкостях. Определены оптимальные фильтрующие материалы и аппаратура для фильтрации кислых (H3PO4) водных растворов солей KH2PO4 и KD2PO4.
Основные результаты и выводы
Физические проблемы, получившие решение в диссертации, связаны с разработкой ряда направлений развития лазерной науки и могут быть определены в следующем виде:
- Исследование и определение возможностей новой технологии выращивания кристаллов в части обеспечения высокого качества выращиваемых кристаллов, необходимого для их использования в силовых лазерных системах, и поиск путей совершенствования технологии.
- Оптимальное использование возможностей профилированного скоростного выращивания кристаллов для решения задач по созданию мощных лазерных систем.
- Исследование процессов роста кристаллов, в особенности, скоростного роста, и дефектообразования в них.
В диссертационной работе в рамках сформулированных проблем получены следующие новые результаты:
1. Проведено детальное сравнительное исследование оптических свойств кристаллов KDP, DKDP, выращиваемых скоростным профилированным и традиционным способами. Показано, что свойства “скоростных” кристаллов принципиально не отличаются от свойств кристаллов, выращиваемых традиционным методом, несмотря на то, что скорость выращивания “скоростных” кристаллов превосходит скорость выращивания “традиционных” кристаллов более чем на порядок. Благодаря преимуществам скоростного метода выращивания (моносекториальность, отсутствие слоев роста, возможность использования высокочистого исходного сырья) качество “скоростных” кристаллов может быть значительно выше.
Показано, что применение оптимальных ростовых режимов при скоростном выращивании, в сочетании с послеростовой термической обработкой кристаллов, позволяет достичь порога оптического пробоя ~ 20 ГВт/см2 на = 1.06 мкм и ~ 10 ГВт/см2 на = 0,35 мкм при длительности импульса = 1нс. Достаточно высокое качество выращиваемых кристаллов в сочетании с высокой экономичностью технологии скоростного профилированного выращивания делают эту технологию надежным звеном комплекса технологий создания мощных лазерных систем.
2. Экспериментально показано, что в кристаллах KDP (независимо от технологии выращивания) при облучении импульсами наносекундной длительности на длинах волн 1,06 и 0,53 мкм несущественны эффекты накопления, связанные, например, с термохимическими эффектами.
Напротив, для кристаллов -LiIO3 показано наличие фототермохических процессов разрастания микронеоднородностей при поглощении (линейным или нелинейным образом) лазерного излучения, приводящих к «старению» кристаллов.
Показано, что наличие в лазерном импульсе случайной временной структуры приводит к эффекту накопления дефектов в кристаллах KDP и постепенному падению оптической стойкости, связанному с микропробоями в субимпульсах лазерного излучения при их самофокусировке.
Построены феноменологические модели лазерного «старения» кристаллов -LiIO3 и накопительного эффекта падения стойкости кристалла KDP при облучении лазерными импульсами со случайной временной структурой.
3. Предложен “нелинейно-оптический” метод измерения дисперсии показателей преломления в нелинейно-оптических кристаллах путем измерения углов синхронизма преобразования частоты на ряде длин волн лазерного излучения и типов синхронизма, и дальнейшего решения обратной задачи. С применением этого метода уточнена дисперсия показателей преломления в кристаллах KH2(1-x)D2xPO4 в широкой области спектра, что дало возможность рассчитать параметры генераторов гармоник из таких кристаллов на важную область ~ 1,315 мкм (лазеры на парах йода), а также обосновать возможность получения в кристаллах KD*P свехширокого синхронизма параметрического усиления для генерации мощных фемтосекундных импульсов.
4. Предложено и физически обосновано применение в качестве преобразователей частоты излучения большеапертурных лазерных пучков т.н. “скошенных” генераторов гармоник, т.е. пластин, вырезанных не под углом синхронизма, а параллельно ростовой грани. Это позволило с использованием технологии скоростного выращивания кристаллов с высокой эффективностью перевести в режим генерации гармоник лазерные комплексы «Искра 4», «Искра 5» (диаметр луча 400 мм), Россия, «Perun»,Чехия.
5. Исследован широкоапертурный (90-градусный) синхронизм удвоения частоты в смешанных кристаллах KH2(1-x)D2xPO4 и RbxK(1-x)H2PO4 во всем интервале изменения x. Установлена область существования 90-градусного синхронизма во всем интервале изменения x, получены перестроечные кривые длины волны синхронизма от температуры и x. Показано, что эти два однотипных кристалла при 0 < х < 1 для KH2(1-x)D2xPO4 и х < 0,16 для RbxK(1-x)H2PO4 (реально выращенные образцы) перекрывают широкий диапазон длин волн 90-градусного синхронизма (0,505 0,550 мкм по первой гармонике), что исключает необходимость выращивания для этих целей ряда других кристаллов (CDA, DCDA, ADP, DADP).
6. Исследовано методом лазерно-поляризационной интерферометрии влияние примесей Аl3+ и Fe3+ на кинетику роста грани призмы (100) кристалла KDP. Показано, что в кинетических кривых (зависимости скорости роста от объемного переохлаждения) имеются 2 особые точки: известная в литературе “мертвая ” зона tм, ниже которой рост отсутствует, и точка излома t1 > tм, в которой кинетический коэффициент резко увеличивается. При t < t1 рост кристалла определяет кинетическая стадия, а при t > t1 — диффузионная. Примеси Аl3+ и Fe3+, входя в изломы растущей ступени, резко уменьшают кинетический коэффициент роста, что и делает определяющей кинетическую стадию при t < t1. В случае t > t1 включаются заблокированные изломы ступеней, что приводит к резкому увеличению кинетического коэффициента и переводу роста кристалла в диффузионный режим. Таким образом, влияние примесей на рост кристалла сводится к образованию порогового эффекта резкого увеличения скорости роста кристалла при переохлаждении t > t1 и уменьшению кинетического коэффициента при t < t1. По экспериментальным данным в приближении изотермы адсорбции Ленгмюра оценена величина энергии адсорбции примесей Аl3+ и Fe3+ гранью (100) KDP ~ 15 ккал/моль.
7. Разработана методика исследования оптическим теневым методом in situ морфологии растущей поверхности большой площади (8х8 см2) при скоростном выращивании кристаллов из раствора. Методика позволяет проводить наблюдение и регистрацию растущей поверхности в условиях реального роста профилированных кристаллов, интенсивной гидродинамики и с возможностью управления условиями роста. Интенсивность изображения отдельного участка поверхности пропорциональна её углу отклонения от среднего значения. Чувствительность наблюдения и измерения угла составляет величину порядка угл. минуты, что позволяет исследовать, например, зависимости структуры ростовых центров, сгустков элементарных ступеней от условий роста.
8. Экспериментально in situ исследованы структурные процессы при росте кристалла KDP из раствора. Показан переход от многоцентрового роста к одноцентровому при увеличении интенсивности гидродинамики питания растущей поверхности, продемонстрирована возможность генерации новых центров роста вследствие дефектообразования в растущем кристалле.
Экспериментально исследованы периодические и одиночные сгустки ступеней, установлена связь их характеристик с ростовыми параметрами. Возникновение сгустков ступеней связано с неустойчивостью регулярного эшелона элементарных ступеней.
Предложена модель нестационарного диффузионного слоя для описания кинетики роста грани при квазипланарном росте. В этой модели предложено описание квазипериодических и квазисолитонных волн сгустков ступеней, наблюдающихся в эксперименте, и соответствующих волн относительного пересыщения в растворе. Сгустки ступеней возникают при отклонении ростовых параметров от стационарных, при которых амплитуды волн плотности ступеней n и поверхностного пересыщения x стремится к нулю. Параметры волн (скорость распространения, длина волны, амплитуда) качественно согласуются с параметрами наблюдающихся в экспериментах квазипериодических и одиночных сгустков ступеней.
9. В результате проведенных экспериментальных исследований показана связь светорассеяния в “скоростных” кристаллах DKDP (на примере выращивания образцов с размером поперечного сечения 4х4 см2) с пространственно-временными параметрами режима питания растущей поверхности (периодом качания питателя, относительной шириной питателя, расстоянием питателя до растущей поверхности). Показано наличие оптимальных параметров питания, связанных с процессами релаксации приповерхностного диффузионного слоя. Предложены условия подобия при масштабировании кристаллизационных установок.
Подводя итоги, можно резюмировать, что на основании выполненных в диссертации исследований найдены и научно обоснованы теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области лазерной физики и ее приложений, использование которого позволяет значительно расширить возможности мощных лазерных систем, в частности, переведены в режим генерации гармоник крупнейшие российские лазерные установки “Искра 4”, “Искра 5”(лазеры на парах йода с диаметром луча ~ 40 см), построена установка “Луч” (лазер на неодимовом стекле с генерацией второй и третьей гармоник и с размером луча 20х20 см2).
Список работ по теме диссертации
1А. I.A. Batyreva, V.I. Bespalov, V.I Bredikhin, G.L. Galushkina, V.P. Ershov, V.I. Katsman, S.P. Kuznetsov, L.A. Lavrov, M.A. Novikov and N.R. Shvetsova, “Growth and investigation of optical single crystals for high-power laser systems”. J. оf Crystal Growth 52 (1981) 832-836.
2А. B.И. Беспалов, В.И. Бредихин, В.П. Ершов, В.И. Кацман, Н.В. Киселева,
C.П. Кузнецов, “Оптические свойства кристаллов KDP и DKDP, выращенных с большой скоростью”, Квантовая электроника, 9, № 11 (1982) с.2343- 2345
3А. Беспалов В.И., Бредихин В.И., Ершов В.П., Кацман В.И., Лавров Л.А., “Cкоростное выращивание водорастворимых кристаллов и проблемы создания большеапертурных преобразователей частоты света”, Известия АН СССР, серия физическая т.51, № 8 1987 1354-1360.
4А. V.I. Bespalov, V.I. Bredikhin, V.P. Ershov, V.I. Katsman, L.A. Lavrov, “Crystals KDP and DKDP for nonlinear optics grown at high rate”. J. of Crystal Growth 82 (1987) 776-778.
5А. Бредихин В. И., Киселева Н. В., Королихин В. В., “Применение ультрафиолетовой спектроскопии для определения примесей в растворах и монокристаллах КН2РО4 И KD2PO4”, Изв. АН СССР, Неорганические материалы, том 22 № 1 1986 c. 112-114.
6А. В.И.Бредихин, С.П.Кузнецов, “Способ измерения неоднородностей показателя преломления”, Авторское свидетельство СССР № 913183,1982.
7А. V.I. Bredikhin, S. P. Kuznetsov “Measurements of wave front distortions of optical radiation using a shadow method” in Eighth International Conference on Laser and Laser Information Technologies, edited by Vladislav Ya. Panchenko, Nikola V. Sabotinov, Proceedings of SPIE Vol. 5449, 2003, 98-102.
8A. Бредихин В. И., Кузнецов С. П., “Измерение аномальной двуосности в кристаллах с использованием циркулярно поляризованного света”, Кристаллография, том 32, 1987 вып. 1, с. 252-254.
9А. Андреев Н.Ф., Беспалов В.И., Бредихин В.И., Гаранин С.Г., Давыдов В.С., Долгополов Ю.В., Катин Е.В., Кузнецов С.П., Куликов С.М., Матвеев А.З., Рубаха В.И., Сухарев С.А., “Широкоапертурная ячейка Поккельса с тремя цилиндрическими электродами “, Квантовая электроника, т. 34, № 4, 2004 381-385.
10А. В.И. Бредихин, В.П. Ершов, В.Н. Буренина, А.Н. Мальшаков, А.К. Потемкин, “Возможности повышения порога оптического пробоя кристаллов KDP”, Квантовая электроника 37, 2007, 489-494.
11А. Беляева Н.Н., Бредихин В.И. “Роль самофокусировки в лазерном старении кристаллов KDP и -LiIO3” Квантовая электроника, 11(3) 1984 633-633.
12А. В.И. Бредихин, С.П. Кузнецов. “Исследование дисперсии показателей преломления кристаллов DKDP методом генерации гармоник”. Оптика и спектроскопия т. 61, вып. 1, 1986, с. 103-107.
13А. Vladimir I Bredikhin, S. P. Kuznetsov. Some problems of KD*P crystal use for frequency conversion (FC) of iodine laser radiation. SPIE Proceedings Vol. 2767 1996 pp.78-81.
14А. В. И. Бредихин, В.И. Кацман, С. П. Кузнецов, А.И. Макаров, А.К. Потемкин, “Применение «скошенных» элементов для преобразования частоты лазерного излучения “, Квантовая электроника, с.1263-1265 Вып. 3(9).1982.
15A. Bespalov V.I., Bredichin V.I., Chvojka M, et al. “Conversion to the 2nd-harmonic of high-power iodine photodissociation laser system Perun”, Czech J Phys 45: (9) 757-760 sep 1995.
16A. Bespalov V.I., Bredichin V.I., Efimov D.G., et al. “Conversion to the 3rd-harmonic of the iodine photodissociation laser Perun”, Czech J Phys 45(9) 761-765 SEP 1995.
17A. V.I. Bespalov, V.I. Bredichin, D.G. Efimov, B. Kralikova, L. Laska, К. Маsек, A.V. Ryadov, K. Rohlena, J. Skala, S.A. Sukharev, I.N. Voronich, A.I. Zaretskiy. “Application of DKDP crystals to the frequency conversion of an iodine photodissociation laser”, Jemna Mechanika a Optika 5-6 1995 164-167.
18A. V.I. Bespalov, V.I Bredikhin, G.L. Galushkina, V.I. Katsman, L.A. Lavrov. “Wide-aperture frequency multipliers based on KDP and DKDP crystals for optical quantum generators”. Rev. Roum. Phys. 31, 9-10, 1986, pp.959-962.
19A. В.И. Анненков, В.И. Беспалов, В.И. Бредихин, Л.М. Виноградский, В.А. Гайдаш, И.В. Галахов, С.Г. Гаранин, В.П. Ершов, Н.В. Жидков, В.В. Зильберберг, А.В. Зубков, С.В. Калипанов и др., “Перевод иодного лазера 'Искра-5' в режим работы на второй гармонике “, Квантовая Электроника, 35, 993-995 (2005).
20A. В.И. Бредихин, В.Н. Генкин, C.П. Кузнецов, М.А. Новиков, “О 90-градусном синхронизме в кристаллах KD2XH2(1-X)PO4 при удвоении второй гармоники неодимового ОКГ”, Письма в ЖТФ, том 3, вып. 9 1977 407-409.
21A. В.И. Бредихин, Г.Л. Галушкина, В.Н. Генкин, СП. Кузнецов, “90-градусный синхронизм при удвоении частоты в кристаллах RbxK(1-x)H2PO4”.
Письма в ЖТФ, том 5, вып. 8 1979 505-508
22A. Бредихин В. И., Кузнецов С. П. “Влияние аномальной двуосности в кристаллах группы КДП на работу электрооптических затворов”. Кристаллография, 1983, 28, 1037-1038.
23А В.И. Бредихин, А.Б. Васильев, Г.Л. Галушкина, С.П. Кузнецов, В.С. Окунев “Фильтрация растворов и светорассеяние в растворах и кристаллах ДКДР, выращенных скоростным способом”, Высокочистые вещества № 2 1990 г. с. 116-120.
24А. V.I.Bredikhin, G.L.Galushkina, V.P.Ershov, V.I.Rubakha, N.R.Shvetsova“ Rapid growth of DKDP crystals from high-acidity solutions”, J. Crystal Growth v.207, 1-2, 1999, 122-126.
25A. Бредихин В. И., Ершов В. П., Королихин, В. В., Лизякина В. Н., “Влияние примесей на кинетику роста кристалла KDP”, Кристаллография, 32 1987 Вып. 1, 214-219.
26A. V.I. Bredikhin, V.P. Ershov, V.V. Korolikhin, V.N. Lizyakina, S.Yu Potapenko and N.V. Khlyunev “Mass transfer processes in KDP crystal growth from solutions”. Journal of Crystal Growth, Volume 84, Issue 3, 1987, 509-514.
27A. V.I.Bredikhin, G.L.Galushkina, S.P.Kuznetsov, “Schlieren technique to in situ monitor rapidly-growing KDP crystal surface”. Journal of Crystal Growth 219 (2000) 83-90.
28A. V.I. Bredikhin, G.L. Galushkina, A.A. Kulagin, S.P. Kuznetsov, O.A. Malshakova Competing growth centers and step bunching in KDP crystal growth from solutions Journal of Crystal Growth, 259 (2003), 3, 309-320.
29A. V.I. Bredikhin and O.A. Malshakova “Step bunching in crystal growth from solutions: model of nonstationary diffusion layer, numerical simulaton”, Journal of Crystal Growth 303/1(2007) pp. 74-79.
30A. Бредихин В. И., Дмитренко Л. А., Киселева Н. В., Королихин В. В., Котова М. А., Новиков М. А., Рубаха В. И. “Экспериментальное исследование природы инфракрасного поглощения монокристаллов -LiIO3”, Кристаллография, том 27 82 Вып. 5, 928-931.
31A. Н.Н. Беляева, В.И. Бредихин, В.И. Рубаха, Г.И. Фрейдман, “Старение монокристаллов -LiIO3 при лазерном облучении”, ЖЭТФ Т. 83 1982 Вып. 3(9) с.1065-1072.
32. A. Н. Андреев, А. Бабин, В. Бредихин, В. Ершов. “Производство крупногабаритной оптики из водорастворимых кристаллов”. Фотоника 5/2007 c. 34-37.
33A. А.А. Бабин, Н.Н. Беляева, Ю.Н. Беляев, В.И. Бредихин, А.В. Каров, В.Н. Петряков, Ф.И. Фельдштейн и Г.И. Фрейдман, “Мощные перестраиваемые источники ИК-диапазона на основе параметрических генераторов, параметрических и ВКР-преобразователей”, Известия Академии Наук СССР, серия физическая, 48 1984 1511-1521.
34A. G. Freidman, N. Andreev, V. Bespalov, V. Bredikhin, V. Ginzburg, E. Katin, A. Korytin, E. Khazanov, V. Lozhkarev, O. Palashov, A. Sergeev, I. Yakovlev, S. Garanin, N. Rukavishnikov, and S. Sukharev. “Use of KD*P crystals for non-degenerated broadband optical parametric chirped pulse amplification in petawatt lasers”; in Conference on Lasers and Electro-Optics 2002. Long Beach, CA: OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America, Washington, D. C.).
35A. Viktor I. Bespalov, Vladimir I. Bredikhin, V.P. Ershov, Victor V. Zilberberg “Perspectives for creation of highly effective technology for fabricating KDP and KD*P crystals for ICF” SPIE Proceedings Vol. 3047 1997 pp. 899-902.
36A. Viktor I Bespalov, Vladimir I. Bredikhin, V.P. Ershov, V.V. Zilberberg, V. I.Katsman, S.Y. Potapenko “Effective technology for fabricating KDP, DKDP crystals to be used in high-energy lasers”; SPIE Proceedings Vol. 2633 1995 pp. 732-739.
37A.Viktor I. Bespalov, Vladimir I. Bredikhin, V.P. Ershov, Victor V. Zilberberg, V.I. Katsman. “Gained experience in production of wide-aperture optical elements using KDP, DKDP crystal rapid growth technology”. SPIE Proceedings, Vol. 4424 2001 pp. 124-128.
38А. В.И.Бредихин, В.Е. Быстров, Л.А. Лавров, В.П. Ершов, В.И. Кацман “Устройство для выращивания профилированных кристаллов из раствора”. Авторское свидетельство СССР № 1342056, 1985.
39А. Н. Ф. Андреев, В. И. Беспалов, В. И. Бредихин, С. Г. Гаранин*, В. Н. Гинзбург, К. Л. Дворкин, Е. В. Катин, А. И. Корытин, В. В. Ложкарев, О. В. Палашов, Н. Н. Рукавишников*, А. М. Сергеев, С. А. Сухарев*, Г. И. Фрейдман, Е. А. Хазанов, И. В. Яковлев, “Новая схема петаваттного лазера на основе невырожденного параметрического усиления чирпированных импульсов в кристаллах DKDP”, Письма в ЖЭТФ 79/4,2004, 178-182.
40А. Gennady I. Freidman, Nikolay Andreev, Viktor I. Bespalov, Vladimir I. Bredikhin, Vladislav N. Ginzburg, Eugeny Katin, Efim A. Khazanov, Alexey I. Korytin, Vladimir V. Lozhkarev, Oleg V. Palashov, Anotoly K. Poteomkin, Alexander M. Sergeev, Ivan V. Yakovlev. “Multicascade broadband optical parametric chirped pulse amplifier based on KD*P crystals”. SPIE Proceedings Vol. 4972 2003.
41А. Viktor I. Bespalov, Vladimir I. Bredikhin, V. P. Ershov, Victor V. Zilberberg “Recent results on high rate growth of KDP-type crystals for power laser systems”; SPIE Proceedings Vol. 2767 1996 pp.83-85
42А. V.I. Bespalov, V.I. Bredichin, V.P. Ershov, V.I. Katsman., “High-rate growth of large-size profiled monosectorial water-soluble (KDP, DKDP) crystals”, Jemna Mechanika a Optika, 5-6 1995 156-159.
43А. В.И. Беспалов, В.И. Бредихин, В.И. Кацман,“Технология и аппаратура для скоростного выращивания кристаллов из низкотемпературных водных растворов”, в сб. Научно-технические достижения, М., ВИМИ, 1988, вып. 4, 49.
44А. Беляева Н.Н., Бредихин В.И., “Морфология лазерного старения монокристаллов -LiIO3 “, Квантовая электроника 12 (1985) в.4, с. 854-857.
45А. В.И. Бредихин, Г.Л. Галушкина, С. П. Кузнецов, “Оптимизация гидродинамических условий скоростного роста кристаллов KDP по величине светорассеяния в кристаллах”. XII Национальная конференция по росту кристаллов. Тезисы докладов. М., ИК РАН, 2006, с. 102.
46А. V.I. Bredikhin, G.L. Galushkina, S.P. Kuznetsov, “Investigation of growing surface morphology of rapidly growing surface”; The 12th International Conference on Crystal Growth, Jerusalem, Israel, 1998, Abstracts, p. 143.
47A. V.I. Bredikhin, G.L. Galushkina, S.P. Kuznetsov, A.A. Kulagin and O.A. Malshakova// “In Situ Investigations of Collective Processes at KDP Crystal Growth from Solutions //In: 4-th Internationl Workshop on Modeling in crystal growth”// Nov. 4-7, 2003, Fukuoka, Japan//Abstracts, p.196; CD/Abstracts with movies.
48A. V.I. Bredikhin, G.L. Galushkina, S.P. Kuznetsov, A.A. Kulagin and O.A. Malshakova, “In situ investigations of collective processes at KDP crystal growth from solutions” (invited), in: the 4-th international edition of: Romanian conference of advanced materials ROCAM 2003 Constanta, Romania, Abstracts book, P.46.
49A. V.I. Bredikhin, G.L. Galushkina, S.P. Kuznetsov, A.A. Kulagin and O.A. Malshakova. “Step bunching at crystal growth from solutions”. The 14 th international conference on crystal growth// Abstracts, France, Grenoble, 2004, p.166.
50A. Бредихин В.И., Потапенко С.Ю. “О конвективном массопереносе на вертикальную грань при послойном росте кристалла”, Кристаллография, том 34 1989 Вып. 1 с.266-267.
51А. Бредихин В.И., Хрулев В.П. “Роторный осевой насос для использования преимущественно в кристаллизационных установках”. Патент на изобретение № 2323280 от 26.06.2006.
52А. Беляева Н.Н., Бредихин В.И., Рубаха В.И., Фрейдман Г.И.
”Старение монокристаллов -LiIO3 при лазерном облучении”.
Всесоюзная конференция "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле". Тезисы докладов, т.1, Хабаровск, 1981, с.74.
53А. Бабин А.А., Беляева Н.Н., Бредихин В.И. и др. “Старение кристаллов -LiIO3 при лазерном облучении”. Тезисы докладов У Всесоюзного совещания по нерезонансному взаимодействию излучения с веществом. Л., 1981, с.114.
54A. V.I. Bredikhin and O.A. Malshakova. “Step bunching in crystal growth from solutions: model of nonstationary diffusion layer, numerical simulaton”. 5th International Workshop on modeling in crystal growth. Program and Abstracts. Bamberg, Germany. 2006, p.p. 145-146.
55А. В.И. Бредихин, О.А. Мальшакова. “Сгустки ступеней при росте кристаллов из раствора: модель нестационарного диффузионного слоя, численное моделирование”. XII Национальная конференция по росту кристаллов. Тезисы докладов. М., ИК РАН, 2006, с. 30.
56A. V.I. Bredikhin. “Step bunching in crystal growth from solutions: model of non- stationary transport in diffusion layer, numerical simulaton”. The 20- th international conference on transport theory.// Abstracts, Russia, Obninsk, 2007, p.p. 90-91.
57A. V.I. Bredikhin, G.L. Galushkina, S.P. Kuznetsov, A.A. Kulagin and O.A. Malshakova. “Step bunching at crystal growth from solutions”. The II international conference “Crystallogenesis and mineralogy” // Abstracts, Russia, St. Petersburg, 2007, p.p. 39-40.
58A. V.I. Bredikhin. “Mass-Transport and Step Bunching in Crystal Growth from Solutions”.
Transport Theory and Statistical Physics, 2008, 37:5, 505-519.
59A. V.I. Bredikhin, O.A. Malshakova and A.D. Yunakovsky, “Traveling waves of step density and solution supersaturation in the assigned diffusion layer thickness model of step bunching”. The 17th American Conference on Crystal Growth and Epitaxy, the 14th Biennial Workshop on Organometallic Vapor Phase Epitaxy, the 6th International Workshop on Modeling in Crystal Growth, Lake Geneva, Wisconsin USA, August 9-14, 2009. Abstracts, p. 47.
60A. V.I. Bredikhin, O.A. Malshakova and A.D. Yunakovsky, “Traveling waves of step density and solution supersaturation in the assigned diffusion layer thickness model of step bunching”. J. оf Crystal Growth, 312 (2010) pp. 1443-1448.
Цитированная литература:
1. У.Мэзон, “Пьезоэлектрические кристаллы и их применения в ультраакустике”. М. ИИЛ.1952, 447с.
2. Giordmaine J.A., “Mixing of light beams in crystals”. Phys. Rev.Lett., 8, 19, (1962).
3. Maker P.D., Terhune R.W., Nisenoff M., Savage C.M., Phys. Rev. Lett., 8, 21, (1962).
4. Terhune R.W., Maker P.D., Savage C.M., “Effects of dispersion and focusing on the production of optical harmonics”. Appl. Phys. Lett., 2, 54, (1963)
5. В.П. Ершов, В.И. Кацман, “Способ выращивания монокристаллов дигидрофосфата калия”. А.С. СССР № 955741.
6. Рашкович Л.Н. “Скоростное выращивание из раствора крупных кристаллов для нелинейной оптики “// Вестн. АН СССР. 1984. № 9. с. 15 – 19.
7. Zaitseva N., Atherton J., Rozsa R., Smolsky I., Carman L., Runkel M., Ryon R., James L. J. “Design and benefits of continuous filtration in rapid growth of large KDP and DKDP crystals”. Crystal Growth 197, 911-920 (1999).
8. Zaitseva N, Carman L. “Rapid Growth of KDP-type Crystals”. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 2001, 1-118.
9. N. Zaitseva, L. Carman, I. Smolsky. “Habit control during rapid growth of KDP and DKDP crystals”. J. Crystal Growth 241 (2002) 363-373.
10. В.П. Ершов. “Скоростной рост моносекториальных профилированных кристаллов группы KDP” : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук : 01.04.07 / Ершов Владимир Петрович; [Место защиты: Нижегор. гос. ун-т им. Н.И. Лобачевского].- Нижний Новгород, 2007.- 146 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-1/1646; “Скоростной рост моносекториальных профилированных кристаллов группы KDP”. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата ф.-м. наук, Нижний Новгород, ИПФ РАН, 2007, 20с.
11. Чернов А. А. и др. Современная кристаллография. Т. 3. М.: Наука, 1980, 408 с.
12. В. И.Сало “Научные и технологические основы выращивания крупногабаритных нелинейно – оптических монокристаллов kdp/dkdp из водных растворов”, автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Харьков – 2008.
13. Zernilke F. “Refractive indices of ammonium dihydrogen phos-phate and potassium dihydrogen phosphate between 2000 A and 1.5 mcm”. - JOSA, 19б4, v.54, N10, p.1215-1220.
14. Волкова Е„Н., Фаерман Ш.Л. “Показатели преломления кристаллов KD2хН2(1-х)PO4”. Квантовая электроника, 1976, т.З, в. II, с.2508-2511.
15. S.R. Coriel, B.T. Murray, A.A. Chernov, G.B. McFadden. “Step bunching on a vicinal face of a crystal growing in a flowing solution”. J. Crystal Growth 169 (1996) 773-785.
[1] В традиционной технологии использование особо чистого сырья (по крайней мере по металлам Fe, Al и др.) ограничивается расширением кристаллов за счет роста граней {100}, что приводит к дефектности. кристаллов [1А]. Скоростная технология, напротив, предполагает достаточно быстрый рост граней {100} [5,6].
[2] Основная часть полученных в диссертации результатов получена, опираясь на скоростной метод профилированного выращивания кристаллов. Однако, они, как правило, справедливы для всех кристаллов KDP, DKDP, независимо от технологии выращивания.
