齊紅基,邵建達,吳福林,王 斌,陳端陽,2

(1.中國科學院上海光學精密機械研究所，上海 201800；2.中國科學院大學材料與光電研究中心，北京 100049)

0 引 言

KDP類晶體具有透光波段寬、抗激光輻照損傷性能優(yōu)異、非線性轉換效率高、能夠生長出大口徑單晶并且容易加工等眾多優(yōu)點，在激光慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion, ICF)的高功率激光系統(tǒng)中扮演著電光開關和頻率轉換器的角色[1-2]。KDP類晶體的傳統(tǒng)生長工藝過程中溶液的過飽和度很低，只有錐面能夠進行緩慢的生長[3-5]。如果進一步增加溶液的過飽和度，不僅錐面的生長速度會得到大幅度的提升，甚至是柱面也開始生長，這種KDP類晶體柱面和錐面同時生長的方法叫做KDP類晶體的快速生長法[6-7]。美國LLNL實驗室在建造國家點火裝置(National Ignition Facility, NIF)之前，ICF裝置所用的KDP類晶體均通過傳統(tǒng)生長法進行生長，晶體的生長速率約1.5 mm/d[8]。但對于NIF裝置而言，需要更多更大口徑的光學晶體元件。俄羅斯的Natalia Zaitseva博士在上世紀90年代中期加入LLNL實驗室，在相繼解決了溶液二級成核[9]、晶體包裹體[10-11]、晶體縱橫比控制[12]和晶體開裂[13]等問題之后，KDP類晶體的點籽晶快速生長方法獲得了快速發(fā)展，大尺寸KDP類晶體的生長速度可以達到約10 mm/d。在我國，山東大學[14-16]和中科院福建物構所[17-19]分別通過傳統(tǒng)生長法和點籽晶快速生長法成功生長出大口徑的KDP類晶體，可以滿足ICF裝置建設對二倍頻KDP晶體元件的需求。

由于光子能量比較高，激光裝置中用于產(chǎn)生紫外光的KDP類晶體元件承受著更高的損傷風險，對于晶體元件制備工藝及生長裝置提出了更高要求。另外，點籽晶快速生長KDP類晶體元件存在柱錐交界面[20]，會誘導產(chǎn)生光束局域光強調(diào)制，限制了該技術的廣泛應用。針對紫外波段大口徑KDP類晶體制備，需要堅持晶體生長的“確定性控制”及裝備與工藝“雙輪驅(qū)動發(fā)展”的理念，穩(wěn)步提升晶體生長可控性和晶體的性能；對于點籽晶快速生長工藝生長晶體中存在的柱錐交界面問題，需要在原來傳統(tǒng)慢速生長及點籽晶快速生長工藝基礎上創(chuàng)新發(fā)展新的晶體生長技術，滿足國內(nèi)外高功率激光裝置建設對KDP類晶體元件愈來愈高的尺寸、性能及批量化供貨的要求。

1 晶體生長系統(tǒng)集成化

KDP類晶體快速生長工藝涉及到原材料配制、配料槽及生長槽溶液轉移、點晶、晶體生長過程溫度及轉動控制、晶體生長液位檢測、晶體生長過程中雜晶抑制及處理等，需要以工程系統(tǒng)化的視角處理裝備與工藝的關系。

1.1 生長設備管道系統(tǒng)集成設計

以KDP類晶體生長管道系統(tǒng)為例，由于涉及到溶液轉移及過濾，各生長系統(tǒng)單元之間需要管道進行連接，主要包括生長槽、配料槽及連續(xù)過濾槽的冷水管、熱水管、排水管、溢流管、重水輸入管、溶液轉移管道及連續(xù)過濾系統(tǒng)管道。在傳統(tǒng)的晶體生長系統(tǒng)中每個槽體均配有單獨的冷卻水、排水管、熱水管，造成了系統(tǒng)繁冗；而溶液轉移管道不固定，隨用隨接，管道純凈度難以保證，容易對溶液造成污染，導致晶體抗激光損傷性能下降；溶液轉移管道內(nèi)部易結晶堵塞，因此，相關系統(tǒng)設計應該以工程化及集成化角度全面考慮，設計集成管道系統(tǒng)。溶液轉移使用了固定管道，實現(xiàn)溶液的固定轉移、過濾和清洗；設計了溶液轉移管道和連續(xù)過濾管道的并行融合，對管道系統(tǒng)進行有效精簡；設計了重水固定輸入管道，保障重水管道的純凈和便捷實用；設計了溶液轉移管道的保溫與加熱，規(guī)避配料槽到生長槽溶液轉移過程中的結晶風險。管道系統(tǒng)的集成設計，保證了整個生長系統(tǒng)的潔凈度，降低了溶液在配制、轉移及生長過程引入污染和管道結晶的風險，有效提升了晶體生長裝備的穩(wěn)定性。

1.2 連續(xù)過濾系統(tǒng)持續(xù)升級

圖1是KDP類晶體快速生長系統(tǒng)結構示意圖。連續(xù)過濾技術可以有效消除快速生長KDP晶體中的微米級和亞微米級損傷前驅(qū)體，進而提升快速生長的KDP晶體在紅外波段的透過率以及基頻的損傷閾值[21]。通過優(yōu)選過濾方式、過濾管道和過濾膜孔徑，顯著降低了溶液的顆粒度水平和顆粒尺寸，在生長溶液中實現(xiàn)了2個數(shù)量級的顆粒度抑制效果。另外，安裝了連續(xù)過濾系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測裝置，對連續(xù)過濾運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，為高質(zhì)量KDP類晶體的快速生長提供了保障。

1.3 生長過程實時監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)

晶體生長過程是一個緩慢的動態(tài)過程，受到溶液過飽和度、生長溫度、晶體表面流場條件等諸多因素影響，在現(xiàn)階段單純采用一套固定的生長參數(shù)難以重復獲得高質(zhì)量的晶體，需要根據(jù)晶體生長狀態(tài)進行工藝參數(shù)的微調(diào)，因此，晶體生長過程實時監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測晶體生長狀態(tài)，實現(xiàn)晶體生長參數(shù)的反饋控制?；贙DP類晶體的生長特點，研發(fā)了基于機器視覺的晶體生長系統(tǒng)，主要由服務器機柜及多臺晶體生長監(jiān)控器組成。每臺晶體生長爐上安裝有一臺監(jiān)控器，監(jiān)控器負責采集晶體生長的圖像和過程參數(shù)信息，并通過千兆以太網(wǎng)傳輸至服務器。服務器一方面將圖像和參數(shù)信息進行存儲，另一方面對數(shù)據(jù)進行分析運算，對生長過程實時反饋控制。在晶體生長過程中，通過監(jiān)控系統(tǒng)的高清相機拍攝晶體的多角度圖像，反演計算并重構晶體的實際三維形貌，對生長中的晶體尺寸三維重構精度達到了±1 mm，精確得到晶體的生長速度及實時溶質(zhì)消耗，進而反饋控制晶體的降溫速率、控制溶液的過飽和度及晶體的生長速度，提升晶體生長過程控制能力。當然，除了晶體生長系統(tǒng)管道及晶體尺寸實時監(jiān)控系統(tǒng)以外，晶體生長攪拌系統(tǒng)、晶體生長溫控系統(tǒng)及晶體生長狀態(tài)監(jiān)測報警系統(tǒng)等子系統(tǒng)均需要全盤考慮，提升晶體生長系統(tǒng)可控性，為晶體可控生長奠定硬件基礎，形成可復制、可推廣的晶體生長裝備技術。

1.4 高精度可控退火技術

熱退火是一種材料性能提升常規(guī)手段，國內(nèi)外已有不少關于KDP類晶體熱退火的研究結果[22-26]，但是給出的結論有相當大的出入，這與晶體生長工藝及退火工藝可控程度密切相關，關于KDP類晶體熱退火的研究仍然有待完善。由于KDP類晶體的相變點很低，所以熱退火的溫度受到極大的限制。為了盡量提高熱退火的溫度，針對KDP類晶體的退火爐需要很高的溫度均勻性。而且KDP類晶體退火過程中要嚴格避免與水分的接觸，所以退火爐中的退火介質(zhì)最好選擇疏水的導熱油，并有效地隔絕空氣。目前市場上缺乏大尺寸精密油浴設備，也進一步限制了KDP晶體退火研究及退火工藝推廣應用。自主研發(fā)了針對KDP類晶體的高精密退火爐，通過獨特的循環(huán)油道設計[27]并在爐膛內(nèi)安裝攪拌器[28]，在退火爐的內(nèi)部實現(xiàn)了高溫度均勻性，在爐膛內(nèi)的晶體支撐板周圍，溫度波動不超過±0.2 ℃。該退火爐最大可以對430 mm口徑的KDP類晶體進行200 ℃以下的高精密退火，控溫精度0.1 ℃，溫度分辨率0.01 ℃，為熱退火對KDP類晶體性能的影響提供了技術支撐。

2 晶體生長工藝優(yōu)化

2.1 數(shù)值模擬優(yōu)化晶體表面流場狀態(tài)

在KDP/DKDP晶體生長過程中，晶體表面的流體運動狀態(tài)決定了晶體表面溶質(zhì)均勻程度，溶質(zhì)均勻程度影響晶體生長過程的驅(qū)動力，從而影響晶體表面生長臺階及微觀形貌。對于快速生長而言，晶體表面原子及原子團堆砌速度大約為100 nm/s，晶體生長驅(qū)動力的微觀擾動可能造成生長過程產(chǎn)生缺陷，進而影響晶體的抗激光損傷能力。從工藝研究的角度，需要開展大量流場工藝試驗，研究時間及經(jīng)費投入較大。計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)以流體力學為基礎，以數(shù)值計算為工具，通過求解三大控制方程，即連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，從而獲得定量描述流體流動狀態(tài)的數(shù)值解，是研究KDP類晶體生長過程中溶液流體動力學特性的重要工具。通過數(shù)值模擬的方法，對比了不同生長工藝條件下點籽晶快速生長KDP類晶體在生長過程中晶體表面的流場狀態(tài)，提出對應的流場優(yōu)化方向，進而提升晶體質(zhì)量[29]。

2.2 全流程量化控制實現(xiàn)晶體穩(wěn)定生長

除了晶體生長裝備穩(wěn)定可控以外，晶體生長工藝的可控性是實現(xiàn)高質(zhì)量晶體生長的前提條件，因此需要對晶體生長過程中核心工藝進行定量化控制，從而實現(xiàn)晶體生長工藝的可控。目前涉及到的量化控制包括生長過程溶液顆粒度、晶體外形及三元組分控制。溶液中的顆粒物會降低溶液穩(wěn)定性，溶液中微觀顆?？赡芪皆诰w表面、進而在晶體生長過程中誘導缺陷的形成。通過持續(xù)升級的連續(xù)過濾系統(tǒng)有效地降低了溶液顆粒度水平，并且對配料前、配料后、晶體生長前以及生長后溶液的顆粒度進行全流程監(jiān)控。晶體生長過程中，溶液的過飽和度突變是引起晶體表面出現(xiàn)大面積白紋缺陷的根本原因。通過研發(fā)的晶體生長過程實時監(jiān)控系統(tǒng)，可以精確得到晶體實時的生長速度及溶質(zhì)消耗，有利于準確控制溶液的過飽和度，實現(xiàn)晶體穩(wěn)定生長。為了準確掌握DKDP生長溶液中的氘含量，搭建了氘化率測試裝置，建立測試規(guī)范，氘化率測試精度達到±0.5%。通過對配料前、配料后、晶體生長前以及生長后溶液的氘含量進行精確測試，實現(xiàn)了對溶液氘化率的全流程檢測。

2.3 精密熱退火進一步提升晶體性能

對快速生長KDP類晶體進行160 ℃的熱退火之后，晶體紫外波段的透過率和抗激光損傷水平有明顯的提升。為了在降溫階段充分釋放晶體元件的內(nèi)部應力，降溫階段的降溫速率一般比升溫階段的升溫速率要小一些。初步研究表明，通過精密可控退火工藝，在三倍頻激光輻照下，可以獲得10%～20%的抗激光損傷能力提升。以一塊厚度為10 mm的小尺寸快速生長DKDP三倍頻元件為例(如圖2所示)[30]，在300～400 nm的紫外波段，退火后晶體的透過率變高，在355 nm處，退火后和未退火的三倍頻元件的透過率分別為87.9%和80.4%；和未退火的三倍頻元件損傷概率曲線相比，經(jīng)過退火后，晶體損傷概率曲線明顯右移，說明適當?shù)耐嘶鸸に?，能限制改善晶體的抗激光損傷能力。

3 晶體生長新技術的發(fā)展

3.1 KDP類晶體的長籽晶錐區(qū)限制生長法

點籽晶快速生長KDP類晶體中存在影響晶體的光學均勻性和抗激光損傷性能的柱錐交界面，不利于該類晶體在慣性約束核聚變中高效率的頻率轉換[31-32]。點籽晶生長核心技術為點籽晶，也是該類晶體在實現(xiàn)切割過程出現(xiàn)錐柱交界面的根本原因。若采用長籽晶生長技術抑制錐面的生長，獲得只有柱區(qū)的KDP類晶體，則生長出來的晶體內(nèi)部不存在柱錐交界面。該方法既保持了KDP類晶體點籽晶快速生長法的速度優(yōu)勢，又避免了點籽晶快速生長KDP類晶體中出現(xiàn)的柱錐交界面，是KDP類晶體快速生長領域的新方法(如圖3所示)[33]?？紤]到高功率激光裝置中三倍頻元件的匹配角和方位角，長籽晶錐區(qū)限制生長法生長出來的KDP類晶體較適合切割三倍頻元件。在生長大口徑晶體中籽晶的寬度可以忽略的情況下，能夠切出最大口徑三倍頻元件的寬度近似等于元件的長度，這樣的三倍頻元件口徑近似等于晶體的橫截面尺寸。另外，由于晶體的形狀規(guī)則，晶體生長過程中晶體的體積能夠比較方便的計算出來，有利于在晶體生長過程中比較準確地控制溶液的過飽和度，生長出高質(zhì)量的KDP類晶體。

3.2 KDP類晶體的長籽晶自由生長法

在生長大尺寸KDP類晶體的時候，上述長籽晶錐區(qū)限制生長法需要一根高度嚴格等于載晶架下托盤和上擋板的長籽晶；這么長的長籽晶獲取有一定的困難，而且對于特定高度的載晶架，只能生長出特定高度的晶體、獲得特定高度的籽晶，導致上述KDP類晶體的長籽晶錐區(qū)限制生長法存在一定應用上的局限。為了快速獲得不含柱錐交界面的KDP類晶體元件，同時降低對長籽晶高度的要求，在上述長籽晶錐區(qū)限制生長法的基礎上，提出了一種KDP類晶體的長籽晶自由生長法。該方法需要的長籽晶高度都低于載晶架的高度，同時提高了載晶架的兼容性。在生長之前，根據(jù)所需要的晶體高度，結合晶體生長習性以及柱錐交界面的延伸方向，晶體生長人員可以靈活的選擇長籽晶的尺寸，最大限度的降低對籽晶高度的依賴(如圖4所示)[34]。目前已經(jīng)成功生長出尺寸為520 mm×520 mm×500 mm的長籽晶自由生長KDP晶體和尺寸為470 mm×490 mm×560 mm的長籽晶自由生長DKDP晶體，為國際高功率激光裝置建設所需DKDP晶體生長提供了新方案。

4 結語與展望

到目前為止，大尺寸高性能的KDP類晶體仍然是國際上高功率激光裝置核心元器件。如何實現(xiàn)晶體生長裝備及生長工藝穩(wěn)定可控是該領域研究人員重點關心問題，量化控制及晶體生長裝備及工藝雙輪驅(qū)動發(fā)展的思想在促進此類晶體研發(fā)的同時，對于提拉法、導模法等晶體生長技術發(fā)展過程中有一定借鑒價值；另外，先前發(fā)展起來的傳統(tǒng)慢速生長技術及點籽晶生長技術已經(jīng)在各類激光裝置建設過程中發(fā)揮了重要作用。長籽晶快速生長技術的突破為大尺寸高性能的KDP類晶體生長提供了另外一種技術方案，有望實現(xiàn)快速生長及慢速生長的優(yōu)點，在提升晶體質(zhì)量同時，提高晶體生長效率。鑒于國際上超快激光領域飛速發(fā)展，基于大尺寸DKDP晶體的百拍瓦量級超快激光裝置建設為KDP類晶體生長技術發(fā)展提供新的驅(qū)動力，需要積極創(chuàng)新并發(fā)展新的生長技術和工藝方法。