KDP晶體力學性能與開裂現(xiàn)象研究.pdf

1、磷酸二氫鉀(KH2PO4，簡稱KDP)晶體，是一種性能非常優(yōu)良的非線性光學晶體，其生長研究已經有80多年的歷史，是一種長盛不衰的多功能水溶性晶體。由于KDP晶體具有較大的非線性光學系數(shù)和較高的激光損傷閾值，從近紅外到紫外波段都有很高的透過率，可對1.064μm激光實現(xiàn)二倍頻、三倍頻和四倍頻，也可對染料激光器實現(xiàn)二倍頻，因此，它可廣泛的用于制作各種激光倍頻器。另外，KDP晶體也是一種性能優(yōu)良的電光晶體材料，同時也是大功率激光系統(tǒng)慣性約束核

2、聚變工程(ICF)的首選非線性光學材料。
　　 隨著ICF事業(yè)的發(fā)展，對KDP晶體尺寸、數(shù)量和質量的要求進一步提高。就我國而言，目前“神光Ⅲ”主機和點火工程已經被列入國家中長期重大工程，未來國家對大尺寸KDP(DKDP)晶體的數(shù)量和質量也將有更高的要求。
　　 KDP晶體在生長、出槽、搬運、加工等過程中和退火過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，晶體開裂成為制約KDP/DKDP晶體向更大、更完整和更高質量方向生長發(fā)展的瓶頸。目前KDP晶體

3、的研究現(xiàn)狀主要集中在生長技術，生長機制和光學質量這三個方面，晶體開裂的力學研究相對報道得較少。因此有必要進一步探討KDP晶體的力學參數(shù)、開裂機制以及雜質對KDP晶體力學性能的影響等。
　　 KDP晶體的主要生長途徑是通過水溶液法生長。從水溶液中生長KDP晶體時，雜質對KDP晶體的生長習性、光學質量及力學性能等有非常重要的影響。目前，國內外在圍繞著雜質對KDP晶體影響的研究中，關于雜質離子對KDP晶體的力學性能的影響研究報道地較少

4、。因此，本文選擇KDP晶體生長溶液中常見的幾種雜質離子:一價Na+離子、三價Cr3+離子以及作為電荷補償存在的陰離子SO42-等，通過摻雜方式研究了它們對KDP晶體生長習性、晶體質量及力學性能的影響。本論文的主要內容如下:
　　 1.采用全自動、高精度RMT-150C力學實驗系統(tǒng)開展了KDP晶體的力學參數(shù)測試，根據(jù)單軸壓縮實驗和劈裂實驗從宏觀角度分別測試了KDP晶體[001]和[100]晶向的彈性模量、泊松比、抗壓強度和抗拉強度

5、等。結果表明:[001]和[100]晶向的彈性模量分別為39.25MPa和16.82MPa，泊松比分別為0.24和0.16，KDP晶體為典型的橫觀各向同性材料;在單軸壓縮試驗下，晶體樣品的應力應變曲線表現(xiàn)為嚴格的線性關系，當達到或接近抗壓強度時，應力應變曲線徒然下降，晶體呈劈裂或粉碎性爆裂破壞，說明KDP晶體為典型彈脆性材料。KDP晶體在[001]晶向的抗壓強度、抗拉強度分別為115.00MPa和8.35MPa，在[100]晶向的抗壓強

6、度、抗拉強度分別為93.25MPa和6.67MPa;因此，KDP晶體在[100]晶向更容易發(fā)生脆性破壞，同時在KDP晶體生長過程中的破壞以拉破壞為主。
　　 2.在一定的應力狀態(tài)下，晶體材料的晶格應變和宏觀應變是一致的;晶格應變可以通過X射線衍射技術測出，宏觀應變可以根據(jù)彈性力學求得，因此從測得的晶格應變可推知宏觀應力。采用高分辨X射線衍射法對KDP晶體的晶格應變進行了測試，并定量分析了其晶格應力，探討出KDP晶體的晶格應變保持

7、在10-3-10-2數(shù)量級，沿[010]方向受到的應力最大，因此晶體容易沿著[001]方向發(fā)生開裂，與實際工作中的開裂現(xiàn)象相符合;并歸納總結了晶體生長及加工過程中引入內應力而導致開裂的主要因素。
　　 3.根據(jù)KDP晶體的結構和晶系，利用坐標旋轉的方法設計了測試晶體介電、壓電和彈性性能的樣品切型;利用諧振法詳細研究了室溫下KDP晶體全部介電、壓電和彈性性能，并與文獻中的相應數(shù)值作比較。本次實驗測到KDP晶體的彈性系數(shù)s11=3.

8、11×10-11m2/N，c11=4.6×1010N/m2，壓電應變常數(shù)d14=9.51×10-12C/N，糾正了以往相關文獻中的不精確報道;其他電彈系數(shù)的測試結果與文獻數(shù)值相符。
　　 4.采用HXS—1000A型數(shù)字式智能顯微硬度計對快速生長KDP晶體(001)面、(101)面、(100)面分別進行壓痕法顯微硬度測試，實驗表明:KDP晶體的顯微硬度具有明顯的各向異性，(001)面、(101)面、(100)面的顯微硬度分別為1

9、87kg/mm2、156.7kg/mm2、151.3kg/mm2;晶體各晶面的顯微硬度呈現(xiàn)出顯著的壓痕尺寸效應，即硬度隨載荷的增大而減小。實驗發(fā)現(xiàn)，當載荷較小，在5-25g時，壓痕區(qū)沒有出現(xiàn)明顯的裂紋;隨著載荷的增大，在25-200g時，裂紋以輻射狀擴展，壓痕邊緣處形成崩碎狀脆裂。本文確定以25g作為KDP晶體顯微硬度測試的最佳載荷，此載荷下所測得的硬度為其顯微硬度。
　　 5.采用Na+、Cr3+分別作為一價和三價金屬離子摻雜

10、劑，通過傳統(tǒng)降溫法和點籽晶快速生長法生長KDP晶體，系統(tǒng)地研究了不同雜質離子對KDP晶體生長溶液、熱膨脹系數(shù)、顯微硬度、結構完整性、光學均勻性、消光比等性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn):隨著Na摻雜濃度的增大，KDP晶體[001]向（即Z向）熱膨脹系數(shù)逐步增大，[100]向（即X向）熱膨脹系數(shù)變化很小;KDP晶體(001)面的硬度整體大于(100)面的硬度，隨著Na摻雜濃度的增大，KDP晶體各晶面硬度顯著降低;未摻雜的KDP晶體與摻雜Na離子500

11、0ppm，105ppm的晶體半峰寬分別為:104.4”，122.4”和147.6”，晶體的半峰寬逐漸增大;Na離子高濃度摻雜時，錐光干涉圖中黑十字發(fā)生了輕微畸變，晶體的光學均勻性下降。
　　 Cr3+選擇性吸附在晶體柱面區(qū);隨著摻雜濃度的增大，晶體楔化增強，晶體內局部產生缺陷，結構應力增大;當Cr3+摻雜濃度為80ppm時，晶體內布滿了大量平行于生長層｛101｝面的“發(fā)絲狀”包裹體;Cr3+摻雜后的KDP晶體[100]方向和[0

12、01]方向的熱膨脹系數(shù)相對低于未摻雜KDP晶體;KDP晶體(001)面的顯微硬度隨著摻雜濃度的增大而減小。未摻雜KDP晶體衍射峰及Cr+離子摻雜濃度為20ppm的衍射峰均尖銳狹窄不包含任何附加峰;未摻雜KDP晶體衍射峰半峰寬為32.74”，Cr3+離子摻雜濃度為20ppm的半峰寬為28.8”，但衍射峰強度明顯降低。當Cr3+離子摻雜濃度為40ppm時，衍射峰出現(xiàn)分裂，不再保持完整，半峰寬為75.6”，明顯變寬;當Cr3+離子摻雜濃度為6

13、0ppm時，其(101)面的搖擺曲線出現(xiàn)兩個衍射峰;主峰和附加峰的半峰寬分別為12.69”和11.99”，兩峰之間的偏離角度為19.5”。
　　 6.采用傳統(tǒng)降溫法生長了摻雜SO42-離子不同濃度的KDP晶體，研究分析了SO42-離子導致晶體出現(xiàn)的宏觀缺陷及開裂形式，從晶體生長角度初步分析了硫酸鹽摻雜導致KDP晶體開裂的主要原因。實驗表明，隨著SO42-離子摻雜濃度的增大，KDP晶體的主要開裂形式是垂直于生長層｛101｝面的裂紋

14、;晶體中裂紋存在的區(qū)域都分布有大量層層平行于生長層的母液包藏。隨著SO42-離子摻雜濃度的進一步增大，晶體內包藏呈云霧狀分布，裂紋呈不規(guī)則的花狀，晶體質量嚴重下降，透明度降低。
　　 測試并表征了晶體的熱膨脹系數(shù)、顯微硬度、結構完整性等，實驗表明:SO42-離子摻雜濃度較低時(150，500ppm)，X向和Z向的熱膨脹系數(shù)相對于未摻雜樣品均略微增大;SO42-離子摻雜濃度較高時(1000ppm)，各方向的熱膨脹系數(shù)明顯增大。隨著

15、摻雜濃度的增大，硬度逐漸降低;當SO42-離子摻雜濃度為1000ppm時，顯微硬度相對于未摻雜KDP晶體下降了近20％;搖擺曲線半峰寬隨著SO42-離子摻雜濃度的增大逐漸增大，晶體結構完整性降低。
　　 7.采用Z片籽晶和錐頭籽晶分別進行傳統(tǒng)降溫法生長KDP晶體，并對其高分辨搖擺曲線、錐光干涉圖以及消光比進行測試研究。實驗發(fā)現(xiàn)，KDP晶體在不同籽晶下均能實現(xiàn)較好的生長穩(wěn)定性，采用錐頭籽晶生長的KDP晶體具有相對較小的內應力以及更