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直径300mm 氟化钙单晶的生长

    来源:原创 发布时间:2011-11-07 作者:甄西合,任绍霞,史达威,彭明林,葛云程

    氟化钙晶体是一种重要的光学材料,具有立方对称性晶格,热机性能良好。物化性能稳定,不潮解,抗辐照损伤能力强,透光范围宽,在130nm 到10μm 的波长范围内透光性能良好,应力双折射低(在200nm 以上无明显本征双折射),及折射率均匀高。在自然界氟化钙以萤石矿形式存在,因此,氟化钙早已引起人们的关注,甚至在第一次世界大战前后,就被用于制造显微镜和照相机镜头。随着真空坩埚下降法(Bridgman-Stockbarger)的采用,加之生长和加工技术的成熟和完善,大尺寸氟化钙晶体成为可批量生产的产品。其应用范围变得更加广泛,如光谱分光系统、高级摄象机、望远镜及其他光学仪器中的棱镜、透镜和窗口等;掺杂的氟化钙还可以用做γ射线闪烁体,应用于高能物理、核物理研究。

    国际上,以肖特(SCHOTT)、康宁(CORNING)和贝克朗(BICRON)为代表的德国和美国公司在氟化钙晶体研制和产业化水平上处于领先地位,肖特公司已经成功地生长出直径达到350mm 的氟化钙单晶[1]。在国内,从事氟化钙研发、生产的单位主要有北京玻璃研究院、北京人工晶体研究所、中科院长春精密光学机械研究所和上海硅酸盐研究所等单位。所生长的氟化钙晶体直径可以达到200mm,但是晶体光学质量和单晶获得率还有待进一步提高。

    针对紫外光学系统,特别是大功率准分子激光系统的特殊需求,研制大截面、高质量氟化钙单晶材料已成为当务之急。在研究过程中发现大尺寸氟化钙单晶地生长需要重点解决生长炉及温场设计、原料提纯和生长工艺优化三大关键难题。

    在大尺寸氟化钙单晶的生长研究中晶体生长参数的选择尤其重要,晶体生长参数是指那些可以直接调控的设置,例如加热器功率、坩埚下降速率或降温速率、坩埚几何形状、晶体/坩埚转动速率、气流、磁场等。这些参数的组合即形成晶体生长的外部环境。如何形成所期待的晶体生长环境是生长过程模型需要解决的问题。通过引进的计算机模拟软件CrysVUN 对大尺寸氟化钙晶体的生长环境进行了数字模拟。可以准确地、定量地预测一定的晶体生长参数下,晶体生长过程的热量甚至是物质的连续输运方程,建立合适大尺寸氟化钙晶体生长的温场环境[2]。

    通过原料提纯和预处理工艺,提高了氟化钙原料纯度。并采用改进的布里奇曼生长技术,利用真空石墨坩埚下降炉作为主要生长设备,通过优化生长工艺成功地实现了直径达到300mm 氟化钙单晶的生长。所生长的氟化钙单晶的透光范围为0.13~10μm,且在248nm光学透过率不高于88%(2mm 厚晶体);应力双折射低于10nm/cm;光学均匀性达到6×10-6以上。

    参考文献

    [1] Axel Engel, et al. SPIE, 2001, (4346): 1183-1189

    [2] A. Mouchanov, U. Hilburger, Crystal Research Technology, 2002, (1): 77-82.