научная статья по теме ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ НА ОПТИЧЕСКУЮ ОДНОРОДНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ KTIOPО4 Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ НА ОПТИЧЕСКУЮ ОДНОРОДНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ KTIOPО4»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 9, с. 992-994

УДК 548.55:5.35.015

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ НА ОПТИЧЕСКУЮ ОДНОРОДНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ KTiOPО4

© 2015 г. С. А. Гурецкий*, И. М. Колесова*, А. В. Кравцов*, А. И. Митьковец**,

Е. Л. Труханова*, А. А. Линкевич*

*ГО "НПЦНАНБеларуси по материаловедению", Минск e-mail: crystal2@physics.by **Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси, Минск

Поступила в редакцию 04.12.2014 г.

Модифицированным методом Чохральского оптимизирован процесс выращивания кристаллов KTiOPO4 (КТР). Установлено, что по мере развития вглубь фронта кристаллизации за счет более эффективной вынужденной конвекции раствора-расплава оптическая однородность кристаллов повышается.

DOI: 10.7868/S0002337X15090080

ВВЕДЕНИЕ

Монокристаллы КТР обладают высокими нелинейно-оптическими коэффициентами, большими плотностями светового потока, широкой областью прозрачности, простирающейся от ультрафиолета до ближнего ИК-диапазона. Они широко используются в качестве нелинейных элементов для генерации второй и смешанных гармоник лазерного излучения, параметрических генераторов света, создания электрооптических элементов [1]. Вместе с тем традиционно используемые технологии выращивания монокристаллов КТР не всегда обеспечивают высокое структурное совершенство и оптическое качество кристаллов. Помимо этого, методики оценки оптической и нелинейно-оптической однородности кристаллов КТР не совершенны [2].

Поскольку коэффициенты оптической нелинейности и эффективность преобразования излучения в кристаллах КТР тесным образом связаны с наведенной поляризацией, исследования распределения неоднородностей в объеме материала в зависимости от технологии выращивания образца и его предыстории позволяют получить информацию о нелинейных свойствах и качестве кристаллов. Так, часто встречающаяся блочная структура с малоугловой разориентацией между блоками, высокая плотность дислокаций, флуктуации показателя преломления существенно ограничивают использование этих материалов в случаях, требующих высокой оптической однородности.

Известно, что оптимальная гидродинамика является одним из решающих факторов, определяющих качество кристаллов. Отклонение гидродинамических параметров от оптимальных суще-

ственно увеличивает концентрацию структурных дефектов [3, 4]. Несмотря на достигнутые в последние годы успехи в теоретическом исследовании и численном моделировании гидродинамических параметров, провести их количественный расчет с учетом сложных процессов на растущей поверхности для реальных высокотемпературных технологий не представляется возможным. Поэтому является важным проведение экспериментальных исследований влияния различных гидродинамических условий на качество выращенных кристаллов и дальнейшее сравнение результатов с теоретическими моделями.

Целью данной работы было проведение исследований по оптимизации процесса выращивания кристаллов КТР модифицированным методом Чохральского в зависимости от осевого градиента температур в растворе-расплаве.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Кристаллы КТР выращены модифицированным методом Чохральского с использованием тиглей диаметром 80—100 мм. В качестве растворителя использовался К6Р4О13. Осевой градиент температур варьировался от 1.0 до 5.0°С/см. Скорость вытягивания кристалла изменялась в пределах 0.5—2.0 мм/сут. Точность поддержания и контроля температуры была не ниже 0.2°С. Установка для выращивания кристаллов была оснащена двухзонной шахтной печью-кристаллизатором с каркасным нагревателем. При помощи двухзон-ных нагревателей изменялся вертикальный температурный градиент для повышения эффективности конвекционного перемешивания и предотвращения образования придонной области раствора-рас-

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ 993

плава. Температурный осевой градиент над поверхностью раствора-расплава формировался за счет изменения толщины и профиля верхней части кристаллизатора.

В качестве параметра качества кристаллов брали их оптическую однородность. Для определения линейной неоднородности распределения показателя преломления по объему выращенного кристалла использовался широкоапертурный интерферометр с совмещенными рабочей и эталонной ветвями (типа интерферометра Физо) [5]. Источником излучения служил одномодовый Не-№-лазер с поляризацией излучения, расположенной в горизонтальной плоскости. Регистрация интерферограмм осуществлялась ССD-камерой с выводом изображения на экран монитора для дальнейшей обработки информации. Точность измерения флуктуации показателя преломления была не ниже 2 х 10-6.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Модифицированным методом Чохральского получены кристаллы массой 90-150 г. Применен режим вынужденной конвекции за счет развития фронта кристаллизации ниже уровня раствора-расплава, чтобы избежать затруднений питания фронта кристаллизации при помощи термогравитационной конвекции, так как традиционно используемые растворы-расплавы для выращивания монокристаллов КТР имеют относительно высокую вязкость и прозрачность в видимом и ИК-диапазонах спектра.

Рис. 2. Кристалл КТР, выращенный в низкоградиентном температурном поле.

Режим вынужденной конвекции осуществлялся за счет уменьшения осевого градиента температур в растворе-расплаве до 1.0-2.0°С/см. Форма фронта кристаллизации изменялась от плоской при градиенте температур более 3.0°С/см до ограненной при меньшем градиенте температур (рис. 1, 2). В низкоградиентном тепловом поле форма нижней части кристаллов характеризуется развитыми гранями (ПО) и (201). Если при высоком осевом градиенте температур фронт кристаллизации практически совпадал с поверхностью раствора-расплава, то по мере его уменьшения заглублялся на 10-15 мм.

На кристаллах с плоским и объемным фронтом кристаллизации исследовалась оптическая однородность.

Установлено, что по мере развития вглубь фронта кристаллизации кристаллы становятся менее блочными и оптическая однородность повышается (рис. 3). Из рис. 3 видно, что кристаллы, выращенные в низкоградиентном температурном поле, имеют лишь незначительные флуктуации показателя преломления, наблюдаемые в периферийных областях були. Существенное улучшение структурных и оптических характеристик достигается за счет более интенсивного питания растущего кристалла в результате более эффективной вынужденной конвекции раствора-расплава.

994 ГУРЕЦКИЙ и др.

(в)

Рис. 3. Характерные интерференционные картины для кристаллов КТР, выращенных в высокоградиентном (а, б) и низкоградиентном (в, г) температурных полях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследовано влияние осевого температурного градиента на форму и глубину фронта кристаллизации, определяющего интенсивность и форму вынужденных конвекционных потоков и, соответственно, структурное и оптическое качество кристаллов. Установлено, что кристаллы, выращенные в низкоградиентном температурном поле, имеют лишь незначительные флуктуации показателя преломления, наблюдаемые в периферийных областях були. Форма фронта кристаллизации изменяется от плоской при градиенте температур более 3.0°С/см до ограненной при меньшем градиенте температур.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гулевич Е., Кондратюк Н., Протасеня А. Перестраиваемые источники лазерного излучения УФ-, видимого, ближнего и среднего ИК-диапазона // Фотоника. 2007. № 3. С. 30-33.

2. Якобсон В.Э. Оптические и нелинейно-оптические неоднородности кристаллов титанилфосфата калия: Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. С-Пб, 2009.

3. Ostrach S. The Freeman Lecture. Theoretical Foundations. 1983. V. 105.

4. Bredikhin V.I., Galushkina G.L., Kulagin A.A., Kuznets-ov S.P., Malshakova O.A. Competing Growth Centers and Step Bunching in KDP Crystal Growth from Solutions // J. Cryst. Growth. 2003. V. 259. P. 309-320.

5. Малакара Д. Оптический производственный контроль. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком