KDP晶体成锥及快速生长新系统输运特性研究

摘要

磷酸二氢钾（KH2PO4，KDP）晶体是上世纪30年代发展起来的一种性能优良的非线性光学材料，以其大的非线性光学系数、高的激光损伤阈值及宽的透光波段，被广泛应用于激光变频领域。由于其容易制备且易于长大的特点，是目前惯性约束核聚变激光系统中二倍频和三倍频的首选材料。
　　在工业生产中，常用的KDP晶体生长方法主要有传统Z切片籽晶慢速生长法和点籽晶快速生长法两种。无论哪一种晶体生长方法，都需要在生长溶液中预先放置籽晶。籽晶质量的优劣会直接影响生长出来的大尺寸单晶的质量，因此，选取高质量的籽晶是成功生长大尺寸高质量晶体的首要条件。通过不断蒸发溶液，进而析出晶体，是获取KDP籽晶的常用方式之一。如果已有现成晶体，则可直接从中切出一部分作为籽晶使用，其中Z切向籽晶是应用最广的籽晶。由于Z切向籽晶缺少晶锥部分，不具备KDP晶体结晶学形态，因此在晶体生长正式开始之前，须经历一个所谓的“成锥”过程以恢复晶锥，晶锥恢复的好坏对接下来的晶体正常生长具有重要影响。该过程不同于正常的晶体生长，表现出非完整形态晶体所特有的“薄表面层”生长机制。目前，对于该机制的研究还处于起步阶段，人们对薄表面层生长的机理尚不清楚。
　　当晶体正常生长开始之后，溶液中的流场和浓度场特性就成了决定晶体生长质量的关键因素。目前，多数KDP晶体生长方法都采用周期性正反转动晶体的方式来加快溶质输运速度，提高晶体生长速率。随着晶体的不断运动，溶液中的流场及浓度场变得十分复杂，呈现出典型的三维非稳态特征，很难通过实验进行研究。而通过数值模拟却可方便地获得溶液中的流场和浓度场，为优化晶体生长工艺提供指导。这些年计算机技术的快速发展，使数值模拟成为研究晶体生长方法的必要手段。
　　本文应用热力学、流体力学和传质学等专业基础知识，针对KDP晶体生长各阶段所涉及的流动和传质问题，展开系列研究，主要内容包括以下几个方面：
　　①通过肉眼观测不同非完整形态KDP晶体的形态恢复过程，从晶体生长形态学角度研究了薄表面层的生长机理，提出了晶体形态恢复的“最小多面体原理”，并利用热力学的基本原理进行了解释。运用光学显微镜测量了薄表面层的生长速度，发现其大小与溶液过饱和度、薄表面层厚度及前端非正常棱边的结晶学取向有关，并建立了体扩散机制下的薄表面层生长动力学模型。从晶体生长动力学角度证实，薄表面层生长的实质是其前端非正常棱边沿薄表面层切向的推移过程，薄表面层生长终止于奇异面正常棱边。
　　②对KDP晶体Z切片籽晶成锥时的溶液流动和物质输运过程进行了模拟研究，发现当籽晶(001)面棱边过饱和度较高而中心处过饱和度较低时，锥面薄表面层可快速生长，此时 Z切片籽晶成锥较容易。另外，为保证成锥质量，薄表面层外侧锥面上的过饱和度分布应尽量均匀。这就需要在成锥初期，使晶体保持静止或低速转动；而在成锥中期，则应调整晶体转速，使其逐渐增大至正常晶体生长所需大小；到了后期，则应保持正常晶体生长时的转动规律不变。
　　③对蒸发法制备完整形态KDP籽晶时的流动和传质过程进行了模拟研究，重点考察了籽晶生长过程中的形状变化及其表面过饱和度分布特性。研究结果表明，晶体表面过饱和度的不均匀性是导致台阶聚并、引起包裹物形成的直接原因。当KDP籽晶在静态溶液中生长时，籽晶表面过饱和度梯度最大的位置出现在其上表面对角线附近。降低溶液过饱和度，倾斜放置生长籽晶的液池，可改善籽晶上表面过饱和度均匀性，提高籽晶生长质量。
　　④对传统转晶法生长KDP晶体时的流动和传质过程进行了模拟研究，发现在晶体减速、停转和加速转动阶段，晶体附近溶液流速会被大大削弱，其表面过饱和度将出现大幅波动。为克服这一缺陷，本文提出了一种新的KDP晶体生长系统，在该系统中，须对晶体额外施加一匀速公转运动，使其以行星转动方式在溶液中做周期性转动，并模拟研究了KDP晶体生长时的溶液流动和物质输运特性，重点考察了行星转动方式中自转速度、公转速度和公转半径等操作条件对晶体表面过饱和度分布的影响。研究结果表明，提高晶体公转速度、扩大晶体公转半径、增大体过饱和度均可有效提高晶体表面时均过饱和度，进而提高晶体生长速率。
　　⑤对晶体运动方式作了一步改进，使其在溶液中做水平圆周转动的同时还进行上下往返运动（即三维螺旋运动），从而在更大范围内搅拌溶液，保证各晶面溶质供应的一致性。通过数值模拟发现，三维螺旋运动法可获得更为均匀的晶体表面过饱和度。参数分析结果表明，晶体表面的传质特性主要受晶体水平圆周运动的线速度V0影响，V0越大，晶体表面的传质边界层厚度越薄，传质阻力越小，晶体表面时均过饱和度增加；同时，其分布更趋均匀，有利于晶体表面形貌稳定性，减小包裹物形成几率。但随着晶体生长尺寸的变大，其表面时均过饱和度会逐渐减小，均匀性有所下降。因此，采用三维螺旋运动法生长KDP晶体时，随着生长的进行，应适当增大晶体的圆周轨道半径并减小其运动周期，使V0增大。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 论文的选题及研究意义

1.2 课题的研究现状

1.3 课题的研究内容

2 KDP晶体Z切片籽晶生长的实验与数值模拟

2.1 引言

2.2 KDP晶体薄表面层生长的宏观观察实验

2.3 KDP晶体薄表面层生长的光学显微实时观察

2.4 Z切片籽晶成锥简化物理模型及其数学描述

2.5 数值计算方法

2.6 计算结果与讨论

2.7 本章小结

3 完整形态KDP籽晶生长的流动与传质数值模拟

3.1 引言

3.2 物理模型及其数学描述

3.3 数值计算方法

3.4 计算结果与讨论

3.5 本章小结

4 行星转晶法生长KDP晶体的流动与传质数值模拟

4.1 引言

4.2 物理模型及其数学描述

4.3 数值计算方法

4.4 计算结果与讨论

4.5 本章小结

5 三维螺旋运动法生长KDP晶体的流动与传质数值模拟

5.1 引言

5.2 物理模型及其数学描述

5.3 数值计算方法

5.4 计算结果与讨论

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 论文的主要结论

6.2 论文的创新点

6.3 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表的期刊论文

B. 攻读博士学位期间发表的会议论文

C. 攻读博士学位期间的发明专利

D. 攻读博士学位期间参加的科研项目