DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 15.11.2010

Материалы

загрузка...

Кристаллы типа KDP для мощных лазерных систем: проблемы скоростного роста и оптические свойства

Бредихин Владимир Иосифович, 15.11.2010

 

~ 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].

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.

?????????????

?????????S

???????

???????????????A

??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