Монокристаллы, способ получения монокристаллов путем выращивания в растворе и варианты применения
Изобретение касается тетрагонального монокристалла с составом Z(H,D)2MO4, где Z является элементом или группой элементов, или смесью элементов и/или групп элементов, выбранных из группы К, N(Н,D)4, Rb, Се, где М является элементом, выбранным из группы Р, As, и где (Н, D) является водородом и/или дейтерием, которые могут быть использованы для изготовления оптических компонентов, в частности, для использования в лазерах. Сущность изобретения: монокристалл содержит практически параллелепипедную зону большого размера, у которой размер АС1, АС2, АС3 каждого из ребер граней превышает или равен 100 мм, в частности, превышает или равен 200 или 500 мм, его получают путем выращивания кристалла в растворе из практически параллелепипедного монокристаллического зародыша, ребра которого имеют размеры AG1, AG2, AG3. Размер AG1, по меньшей мере, одного ребра зародыша превышает или равен одной десятой, предпочтительно одной четвертой, размера одного ребра граней монокристалла и, по меньшей мере, другой размер АG3 зародыша меньше или равен одной пятой, предпочтительно одной десятой, наибольшего размера ребер граней зародыша. Изобретение позволяет получать заготовки (були) больших размеров, что обеспечивает увеличение выхода пластин при вырезании. 7 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение относится к области монокристаллов и касается, в частности, тетрагональных монокристаллов больших размеров. Оно касается также способа выращивания, позволяющего получать указанные монокристаллы, и способа получения монокристаллических пластин из монокристаллов, получаемых при помощи способа выращивания. Оно касается также вариантов применения и использования указанных монокристаллических пластин, в частности, в качестве оптических компонентов, в частности компонентов лазера.
Кристаллы типа описываемых в настоящем изобретении разрабатывают, в частности, для удовлетворения запросов производителей лазеров высокой мощности, для которых требуются компоненты больших размеров.
Действительно, в рамках исследований в области термоядерного синтеза с инерционным (инерциальным) удержанием плазмы для проектируемых лазеров требуется наличие монокристаллов KDP (дигидрофосфата калия KH2PO4) больших размеров. Эти кристаллы служат в качестве оптических затворов (в виде элемента Поккельса), удвоителей или утроителей частоты света, излучаемого лазерным источником. Можно также использовать кристаллы дейтерированного фосфата калия, т.е. DKDP.
В настоящее время ведутся исследования и по другим составам кристаллов.
Кристаллы, в частности кристаллы KDP, производятся в виде заготовок, из которых вырезают детали в виде пластин, используемых в соответствующих устройствах. В случае использования в качестве элемента Поккельса деталь вырезают перпендикулярно оси Z кристалла. В случае использования в качестве умножителя частоты пластину вырезают по строго определенному направлению, известному специалистам в данной области техники. Например, для удвоителя частоты вырезают пластину, наибольшая грань которой находится в плоскости, которая проходит под углом 41° к плоскости XY и которая пересекает эту плоскость XY равноудаленно от начала координат на оси Х и на оси Y, как показано на фиг.4. Для утроителя частоты вырезают пластину, наибольшая грань которой проходит под углом 59° к плоскости XY и пересекает эту плоскость XY по линии, параллельной оси Х, как показано на фиг.5.
Известные технологии выращивания тетрагональных монокристаллов большого размера описаны, например, в публикации Зайцевой и соавторов "Rapid growth of large scale (40-55 cm) KH2PO4 cristals", "Journal of cristals growth" 180 (1997), 255-262.
Под тетрагональными монокристаллами большого размера понимают монокристаллы, у которых каждое из ребер граней имеет размер, обозначенный АС1, АС2, АС3 и превышающий или равный 100 мм, в частности превышающий или равный 200 мм и даже превышающий или равный 500 мм.
В указанной публикации кристаллы такого типа получают путем выращивания в растворе из точечного зародыша, то есть из монокристалла малого размера по отношению к размеру кристалла, который необходимо получить, в частности, из зародыша размером примерно 1 см3. Кроме того, размеры ребер зародыша являются практически одинаковыми. В данной технологии, используя пересыщенный раствор, описанный в указанной публикации, можно получить тетрагональный кристалл размером примерно 450 мм по направлениям X, Y, Z за 30 дней. В дальнейшем этот метод будет называться «стандартным методом».
Данная технология хотя и является первой, позволившей добиться получения тетрагональных кристаллов большого размера, имеет ряд недостатков.
Действительно, все возрастающая мощность лазеров требует все большего размера оптических компонентов, и в настоящее время возникает необходимость в получении пластин лазерных компонентов, у которых два размера превышают 400 мм. Для этого требуется получать заготовки («були») с, по меньшей мере, одной стороной основания в 600 мм и с достаточно большой высотой для вырезания пластин необходимых размеров.
Возникает мысль о необходимости увеличения размера устройства, в котором происходит рост кристаллов. Но такое увеличение размера наталкивается на трудноразрешимые технические проблемы. Действительно, как будет описано ниже, выращивание осуществляют в растворе, содержащемся в кристаллизаторе, как правило, выполненном из стекла. Однако производство кристаллизаторов большого размера, имеющих, в частности, диаметр более одного метра, становится дорогостоящим, и при этом возникает необходимость в большом объеме раствора. Другая техническая проблема состоит в том, что для увеличения размера кристаллов при стандартном методе необходимо увеличивать время выращивания. Такое увеличение времени выращивания может привести к возникновению ощутимых дефектов в получаемых кристаллах. Действительно, возможность развития паразитных кристаллов из зародышей в растворе или на свободных поверхностях устройства выращивания, которые могут стать зародышами, значительно повышается с увеличением времени выращивания.
Кроме того, выход, достигаемый при вырезании и определяемый как отношение полезного объема пластин, используемых в качестве оптических компонентов, к объему заготовки, из которой они вырезаются, при стандартном методе обычно является очень низким, часто порядка 10%.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, в частности увеличение выхода при вырезании пластин, используемых в качестве оптических компонентов, из заготовки, при одновременном сохранении разумных размеров устройств выращивания, позволяющих, в частности, ограничить объем раствора, необходимый для выращивания заготовки.
Проблема получения монокристаллической заготовки при помощи устройства выращивания с большими, но разумными размерами, из которой можно вырезать большее количество пластин, решается путем использования зародыша особой формы и размеров.
Объектом настоящего изобретения является тетрагональный монокристалл состава
Z(H,D)2MO4,
где Z является элементом или группой элементов, или смесью элементов и/или групп элементов, выбранных из группы K, N(H,D)4, Rb, Ce;
где М является элементом, выбранным из группы P, As;
и где (H, D) является водородом и/или дейтерием,
содержащий практически параллелепипедную зону большого размера, у которой, в частности, размер АС1, АС2, АС3 каждого из ребер граней превышает или равен 200 мм, в частности превышает или равен 500 мм, и полученный путем выращивания кристалла в растворе из практически параллелепипедного монокристаллического зародыша, ребра граней которого имеют размеры AG1, AG2, AG3, причем, по меньшей мере, один размер AG1 ребра зародыша превышает или равен одной десятой, предпочтительно одной четвертой, размера одного ребра граней монокристалла и, по меньшей мере, другой размер AG3 зародыша меньше или равен одной пятой, предпочтительно одной десятой, самого большого размера ребер граней зародыша.
Этот тетрагональный монокристалл может быть использован в качестве заготовки («були»), из которой вырезают монокристаллические пластины.
Этот тетрагональный монокристалл может иметь состав КН2РО4 (известный под аббревиатурой KDP), K(H,D)2PO4 (DKDP, то есть дейтерированный KDP), (NH4)H2PO4 (ADP), N(H,D)4(H,D)2PO4 (DADP, то есть дейтерированный ADP).
Можно также получать кристаллы состава Rb(H,D)PO4 и Ce(H,D)PO4 (дейтерированные или не дейтерированные).
Следует отметить, что в некоторых случаях применения лучше использовать замещения или смеси из элементов или групп элементов, выбранных среди K, N(H,D)4, Rb, Ce.
Кристаллы с той же структурой могут быть также получены путем замены Р на As для всех вышеперечисленных вариантов состава кристалла.
"Семь KDP" можно определить так, как ее описали в книге "KDP - family Single Crystals", L.N.Rashkovich (Adam Hilger IOP Publishing Ltd, 1991), и, в частности, как ее определяют, например, в следующих публикациях: Landolt - Börnsteing 1984 (Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, New Series, vol. 18 - suppl to vol.III/11-ed K-H Hellwege and A.M.Hellwege - Berlin: Springer), Eimeri D 1987 (1987a Electro-optic, linear, and nonlinear optical properties of KDP and its isomorphs Ferroelectrics 72 95-130 и 1987b High average power harmonic generation IEEE J. Quantum Electron. QE-23 575-92), Courtens E 1987 (Mixed crystals of the KH2PO4 family Ferroelectrics 72 229-44).
Известно, что тетрагональный кристалл содержит практически параллелепипедную зону, и при этом, по меньшей мере, одна из его граней может быть продолжена пирамидой, стороны основания которой соответствуют ребрам указанной грани.
Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения зародыш является бруском, у которого два размера AG2, AG3 самых коротких ребер практически равны между собой и меньше или равны одной пятой, предпочтительно одной десятой размера AG1, самого длинного ребра бруска.
В данном случае и в дальнейшем по тексту описания под «практически равными размерами» следует понимать размеры, которые имеют один порядок величины, в частности, когда один из них не больше, чем в два раза, превышает другой.
Согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения зародыш может быть пластиной, у которой размеры AG3, AG1 двух самых длинных ребер практически равны между собой и превышают или равны пятикратному, предпочтительно десятикратному, размеру AG2 самого короткого ребра пластины.
Согласно предпочтительному варианту изобретения монокристаллический зародыш является тетрагональным монокристаллом состава
Z(H,D)2MO4,
где Z является элементом или группой элементов, или смесью элементов и/или групп элементов, выбранных из группы K, N(H,D)4, Rb, Ce;
где М является элементом, выбранным из группы Р, As;
и где (H, D) является водородом и/или дейтерием.
Согласно еще одному варианту изобретения тетрагональный монокристалл, используемый, в частности, в качестве заготовки, из которой вырезают монокристаллические пластины, и монокристаллический зародыш имеют одинаковый химический состав.
Настоящее изобретение касается также способа получения тетрагонального монокристалла путем выращивания в растворе из практически параллелепипедного монокристаллического зародыша, ребра граней которого имеют размеры AG1, AG2, AG3 и который помещен на площадку, погруженную в раствор и приводимую во вращение, при этом указанный монокристалл имеет скорость (Vx, Vy, Vz) роста одного порядка величины по основным кристаллографическим осям (X, Y, Z), в частности, где самая низкая скорость роста превышает или равна одной четвертой, в частности равна половине самой высокой скорости роста, причем способ содержит по меньшей мере следующие этапы, на которых:
- из монокристалла вырезают зародыш таким образом, что, по меньшей мере, один размер AG3 ребер зародыша меньше или равен одной пятой, предпочтительно одной десятой, самого большого размера AG1 ребер зародыша и, по меньшей мере, один размер ребер зародыша превышает или равен 25 мм, в частности превышает или равен 50 мм;
- зародыш позиционируют на площадке в необходимой ориентации;
- площадку с зародышем помещают в кристаллизатор, содержащий раствор, а затем приводят во вращение для осуществления выращивания монокристалла.
Этот способ получения позволяет получать монокристаллы большого размера, которые могут быть использованы в качестве заготовок, из которых вырезают монокристаллические пластины.
Монокристаллический зародыш можно вырезать, например, из монокристалла, полученного известным способом выращивания, или из монокристалла, полученного при помощи описанного выше способа.
Специалистам известно, что характеристики тетрагонального кристалла определяются кристаллографическими осями X, Y, Z. Скорости роста граней такого кристалла обозначают Vх, Vу, Vz соответственно осям X, Y, Z.
Согласно предпочтительному варианту выполнения зародыш подготавливают таким образом, чтобы оси X, Y, Z роста совпадали с направлением ребер зародыша.
Согласно предпочтительному варианту изобретения используемый для описанного выше способа зародыш является бруском, у которого размеры AG2, AG3 самых коротких ребер практически равны между собой и меньше или равны одной пятой, предпочтительно одной десятой, размера AG1 самого длинного ребра бруска.
Таким образом получают монокристалл, который может быть использован в качестве заготовки, у которой, по меньшей мере, два размера практически равны между собой.
Согласно другому варианту способа в соответствии с настоящим изобретением зародыш является пластиной, у которой размеры AG3, AG1 двух самых длинных ребер практически равны между собой и превышают или равны пятикратному, предпочтительно десятикратному, размеру AG2, самого короткого ребра пластины.
Таким образом получают монокристалл, используемый в качестве заготовки, у которой, по меньшей мере, один размер меньше двух других.
Эти два последние варианта приведены в качестве предпочтительных примеров выполнения, но не исключают варианты, в которых зародыш может иметь промежуточную конфигурацию между бруском и пластиной.
Согласно варианту выполнения способа в соответствии с настоящим изобретением монокристаллический зародыш является тетрагональным монокристаллом состава
Z(H,D)2MO4,
где Z является элементом или группой элементов, или смесью элементов и/или групп элементов, выбранных из группы K, N(H,D)4, Rb, Ce;
где М является элементом, выбранным из группы Р, As;
и где (H, D) является водородом и/или дейтерием.
Согласно варианту выполнения способа в соответствии с настоящим изобретением тетрагональный монокристалл, полученный путем выращивания в растворе, имеет тот же химический состав, что и монокристаллический зародыш.
Согласно предпочтительному варианту способа в соответствии с настоящим изобретением раствор является пересыщенным, в частности с пересыщением σ, составляющим от 0,1% до 20%.
Понятие пересыщения известно специалистам и определено, например, в вышеупомянутой статье Зайцевой и соавторов как:
,
где С соответствует концентрации раствора, а С0 - равновесной концентрации раствора.
Необходимо отметить, что предпочтительная область пересыщения может состоять из двух предпочтительных субобластей:
с одной стороны, области слабого пересыщения, в частности, при σ, составляющем от 0,1 до 0,5%, которое приводит к медленному росту кристаллов и позволяет получать кристаллы высокого оптического качества,
с другой стороны, области сильного пересыщения, в частности, при σ, составляющем от 1 до 20%, позволяющего получать высокие скорости роста.
Согласно варианту выполнения способа в соответствии с настоящим изобретением получаемый монокристалл имеет состав
Z(H,D)2MO4,
где Z является элементом или группой элементов, или смесью элементов и/или групп элементов, выбранных из группы K, N(H,D)4, Rb, Ce;
где М является элементом, выбранным из группы P, As;
и где (H, D) является водородом и/или дейтерием.
Следует отметить, что предпочтительно использовать зародыш с составом, отличающимся от состава монокристалла, который требуется получить.
Например, можно использовать зародыш из KDP для выращивания кристалла DKDP.
Возможно также использовать другие конфигурации при условии соблюдения химических и кристаллографических соотношений между зародышем и кристаллом.
Настоящее изобретение касается также способа получения, по меньшей мере, одного тетрагонального монокристалла, в котором из монокристалла, полученного при помощи описанного выше способа и называемого заготовкой, вырезают, по меньшей мере, одну монокристаллическую пластину в зоне, достаточно удаленной от зародыша и от зоны регенерации, чтобы обеспечить оптические свойства, позволяющие использовать пластину (или пластины) в качестве компонента лазера.
«Зоной регенерации» называют зону вокруг зародыша, соответствующую первой фазе роста кристалла из зародыша, в частности пирамиду, образующуюся на грани, перпендикулярной оси Z зародыша, и зону, которая расположена вокруг зародыша в продолжении граней зародыша и размер которой можно принять в основном за 20% наименьшего размера зародыша.
Получаемые таким образом кристаллические пластины обладают отличными оптическими свойствами и могут быть использованы либо для применения в лазере, либо в качестве элементов Поккельса, или в качестве удвоителя частоты, или в качестве утроителя частоты, в зависимости от направления вырезания, осуществляемого из заготовки.
Другие подробности и предпочтительные признаки настоящего изобретения будут более очевидны из описания примеров выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
фиг.1 - изображение в перспективе монокристалла в соответствии с настоящим изобретением, получаемого из "брускового зародыша";
фиг.2 - изображение в перспективе монокристалла в соответствии с настоящим изобретением, получаемого из "пластинчатого зародыша";
фиг.3 - изображение в разрезе устройства, адаптированного для метода выращивания монокристалла в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.4 - изображение монокристалла в соответствии с настоящим изобретением и зоны, в которой можно вырезать монокристалл для использования в качестве удвоителя частоты:
- фиг.4.1 - изображение в разрезе;
- фиг.4.2 - вид сверху;
фиг.5 - изображение монокристалла в соответствии с настоящим изобретением и зоны, в которой можно вырезать монокристалл для использования в качестве утроителя частоты:
- фиг.5.1 - изображение в разрезе;
- фиг.5.2 - вид сверху.
На фиг.1 в перспективном изображении показан монокристалл в соответствии с настоящим изобретением. Монокристалл 1 состоит из параллелепипеда, ребра граней которого имеют размеры АС1, АС2, АС3, и расположенной над ним пирамиды 4.
На фигуре показан зародыш, из которого вырос монокристалл 1. Для облегчения чтения чертежа этот зародыш 2 показан сплошной линией, хотя он находится внутри монокристалла 1, причем его нижняя грань находится в одной плоскости с нижней гранью монокристалла 1. Этот зародыш 2 является параллелепипедом с размерами AG2 и AG3 двух ребер, намного меньшими размера AG1 ребра. Согласно изобретению AG2 и AG3 меньше или равны одной пятой или даже одной десятой AG1. В этом случае речь идет о «брусковом зародыше».
Необходимо отметить, что в кристаллах в соответствии с настоящим изобретением можно визуально наблюдать наличие и размер зародыша 2 в выращенном кристалле 1. Действительно, кристаллы семьи с вышеописанным составом Z(H,D)2MO4 являются прозрачными в видимой глазом и/или ультрафиолетовой и/или инфракрасной областях, а по краям граней зародыша 2 в кристалле 1 существуют небольшие оптические дефекты, позволяющие однозначно охарактеризовать зародыш 2, из которого вырос кристалл.
На фиг.2 в перспективе показан другой монокристалл в соответствии с настоящим изобретением. Все рассмотренные выше положения, касающиеся фиг.1, в равной степени относятся и к фиг.2. Различие между кристаллом, показанным на фиг.1, и кристаллом, показанным на фиг.2, состоит в форме используемого зародыша. Зародыш 22 на фиг.2 является параллелепипедом, в котором ребра AG1 и AG3 имеют бульшие размеры, чем ребро AG2. В этом случае говорят о «пластинчатом зародыше». Согласно изобретению два самых длинных ребра AG1 и AG3 имеют размер, превышающий или равный пятикратному и даже десятикратному размеру ребра AG3. Полученный из этого зародыша 22 монокристалл 11 содержит параллелепипед, у которого размер ребра AC3 значительно превышает размер ребра АС2.
На фиг.3 в разрезе показано устройство, адаптированное для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением. Это устройство содержит кристаллизатор 70, в который можно вводить раствор 60. Применяется площадка 50, размер которой слегка превышает размер получаемого кристалла 1, 11. Эту площадку 50 погружают в раствор 60 и приводят во вращение во время процесса выращивания. Зародыш 2, 22 помещают на нижней части площадки. Показанный в данном случае в разрезе зародыш 2, 22 может, в частности, иметь форму бруска или пластины, как было описано выше.
Как правило, зародыш 2, 22 выпиливают и располагают таким образом, чтобы его ребра соответствовали кристаллографическим осям X, Y, Z. В показанном на фиг.3 примере зародыш 2, 22 расположен таким образом, чтобы один из его больших размеров простирался вдоль оси Х. Такое расположение ни в коем случае не является ограничительным, и, в зависимости от требуемых кристаллов, можно располагать большой размер зародыша 2, 22, например, по оси Х или оси Y.
Такое расположение является особенно предпочтительным, так как позволяет быстро получать кристаллы больших размеров. Действительно, кристаллы в соответствии с настоящим изобретением имеют скорость Vx, Vу, Vz роста одного и того же порядка величины по осям X, Y, Z.
Рассмотрим среднюю скорость V роста и сравним результаты с результатами, полученными при выращивании из обычного точечного зародыша. Точечный зародыш является параллелепипедом с практически одинаковым размером каждого ребра, который практически соответствует, например, размеру AG3, показанному на фиг.3.
В этих условиях по истечении времени t из точечного зародыша получают кристалл, у которого размер каждого из ребер основания, соприкасающихся с площадкой 50, равен AG3+2Vt и общая высота которого равна AG3+Vt.
При осуществлении способа согласно настоящему изобретению по истечении времени t получают кристалл с ребрами основания, соприкасающимися с площадкой 50, равными AG3+2Vt и AG2+2Vt, и с высотой AG1+Vt.
Таким образом получают кристалл с высотой, значительно большей при способе в соответствии с настоящим изобретением, чем при традиционном способе из точечного зародыша. Точно так же можно получить ребро основания большого размера, если для этого выбирают пластинчатый зародыш.
Таким образом, можно получать кристаллы, геометрия которых позволяет вырезать гораздо большее количество пластин для оптических компонентов, чем при стандартном методе, считая, что выращивание монокристаллов осуществляется в эквивалентном устройстве и в одинаковых условиях роста.
В некоторых случаях, как будет показано на нижеследующих примерах, можно получать, по меньшей мере, в десять раз больше пластин благодаря настоящему изобретению, чем из кристалла, полученного по стандартному методу.
Выход при вырезании в данном случае значительно увеличивается, в частности, по меньшей мере, в три раза.
Результатом этого является существенная экономия материальных затрат.
Необходимо отметить, что скорость роста кристалла можно регулировать, изменяя параметр пересыщения σ раствора 60. Чем больше этот параметр, тем быстрее происходит рост.
Из полученных кристаллов можно вырезать монокристаллические пластины, используемые в качестве оптических компонентов.
Вырезание производят в объеме кристалла 1, 11 за пределами объема зародыша 2, 22 и за пределами зоны 3 регенерации, находящейся в непосредственной близости от граней зародыша 2, 22.
На фиг.4 показан монокристалл 1 в соответствии с настоящим изобретением, в котором обозначена зона, позволяющая вырезать монокристаллическую пластину 100 для использования в качестве удвоителя частоты.
В представленном примере для выращивания кристалла 1 использовали брусковый зародыш 2. Можно также использовать другие зародыши, как они определяются в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.4.1 в разрезе показан монокристалл 1, в котором виден зародыш 2, окруженный зоной 3 регенерации. На фиг.4.2 представлен вид сверху, где для большей наглядности пластина показана сплошной линией, а ее невидимое ребро - пунктирной линией. Чтобы получить пластину 100 для ее использования в качестве удвоителя частоты, вырез делают по плоскости, находящейся под углом 41° к плоскости XY и пересекающей плоскость XY на одинаковом удалении от начала координат по оси Х и по оси Y. Таким образом получают пластину 100 с размерами a, b, c.
На фиг.5 показан монокристалл 1 в соответствии с настоящим изобретением, в котором можно вырезать пластину 200 для использования в качестве утроителя частоты. Все рассмотренные положения и неграничительные условия, относящиеся к фиг.4, в равной степени касаются и фиг.5. Чтобы получить пластину 200 для использования в качестве утроителя частоты, осуществляют вырез по плоскости, находящейся под углом 59° к плоскости XY и пересекающей плоскость XY по линии, параллельной оси Х.
Далее следует описание примера, иллюстрирующего преимущества кристаллов и способов в соответствии с настоящим изобретением.
Приводится сравнение кристаллов, полученных в идентичных условиях выращивания, в таком же устройстве и в таком же растворе, как по стандартному методу, так и в соответствии с настоящим изобретением.
Применяют устройство, содержащее стеклянный кристаллизатор диаметром 1 метр и площадку диаметром 850 мм.
Как уже отмечалось выше, эти элементы устройства имеют размеры, которые могут быть увеличены, но это приведет к значительному увеличению расходов.
С такой площадкой можно получать кристаллы с квадратным основанием, имеющим длину стороны более 600 мм.
Используют пересыщенный раствор KDP, обеспечивающий следующие скорости роста:
Vвертикальная = Vz = 9 мм/день;
Vгоризонтальная = Vx = Vy = 6 мм/день.
Скорости роста могут варьироваться приблизительно на 10%. В примере EX1 согласно стандартному методу кристалл получен из точечного зародыша с размерами 10×10×10 мм3.
В примере EX2 согласно настоящему изобретению кристалл получен из брускового зародыша с размерами 10×10×150 мм3, расположенного при соприкосновении его самой маленькой грани с площадкой.
В этих условиях скорость горизонтального роста двух кристаллов идентична, и максимальный размер достигается через 50 дней.
По истечении этого времени кристалл EX1 имеет высоту 450 мм, а кристалл ЕХ2 - 600 мм.
Это различие имеет большое значение, так как различие в высоте позволяет извлечь гораздо больше полезных кристаллов из ЕХ2, чем из ЕХ1.
Действительно, в практическом примере французского проекта мощного лазера MEGAJOULE необходимо получить удвоители частоты с минимальными размерами а=405 мм, b=420 мм, с=12 мм. Используя кристаллы по ЕХ1 и учитывая колебания размеров, можно вырезать такую пластину удвоителя частоты только в одном кристалле ЕХ1 из трех. Поэтому необходимо в среднем 150 дней, чтобы получить такую пластину удвоителя частоты по стандартному методу.
Из кристалла, полученного по ЕХ2, можно вырезать 5-7 пластин удвоителей частоты указанных размеров. Таким образом, согласно изобретению можно получить, по меньшей мере, 15 пластин удвоителей частоты за те же 150 дней, необходимых для получения одной пластины по стандартному методу.
Можно сделать аналогичное сравнение по получению пластин утроителей частоты такого же размера, что и вышеуказанные удвоители частоты.
Отмечается, что благодаря настоящему изобретению можно получить большее число пластин компонентов при сохранении разумных размеров устройства, и при этом такое значительное увеличение числа пластин, получаемых из одной заготовки, достигнуто при умеренном увеличении высоты заготовки (примерно на треть высоты). Благодаря этому достигается значительная экономия сырья, так как при стандартном методе используется в лучшем случае 10% объема заготовки, тогда как при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением используется более 30% объема заготовки.
Сравнение этих двух примеров со всей очевидностью доказывает увеличение полезного объема, используемого для вырезания пластин благодаря настоящему изобретению, и следовательно, увеличение производительности при изготовлении пластины для использования в качестве оптического компонента.
Настоящее изобретение не ограничивается этими частными вариантами выполнения и касается любого тетрагонального монокристалла состава
Z(H,D)2MO4,
где Z является элементом или группой элементов, или смесью элементов и/или групп элементов, выбранных из группы K, N(H,D)4, Rb, Ce,
где М является элементом, выбранным из группы P, As,
и где (H, D) является водородом и/или дейтерием,
содержащего практически параллелепипедную зону большого размера, в которой, в частности, размер АС1, АС2, АС3 каждого ребра граней превышает или равен 200 мм, в частности превышает или равен 500 мм, полученного путем выращивания в растворе из практически параллелепипедного монокристаллического зародыша (2, 22), у которого ребра граней имеют размеры AG1, AG2, AG3, и отличающегося тем, что размер AG1, по меньшей мере, одного ребра зародыша превышает или равен одной десятой, предпочтительно одной четвертой, размера одного ребра граней монокристалла и тем, что, по меньшей мере, другой размер AG3 зародыша меньше или равен одной пятой, предпочтительно одной десятой, наибольшего размера ребер граней зародыша.
Настоящее изобретение касается способа выращивания, позволяющего получать описанные кристаллы, но может также применяться без ограничения для выращивания любого тетрагонального кристалла со скоростями роста одного порядка величины по основным кристаллографическим осям.
Предпочтительными кристаллами являются кристаллы, относящиеся к «семье RDP».
1. Способ получения тетрагонального монокристалла (1, 11) путем выращивания в растворе из практически параллелепипедного монокристаллического зародыша (2, 22), ребра граней которого имеют размеры AG1, AG2, AG3 и который помещен на площадку (50), погруженную в раствор (60) и приводимую во вращение, при этом указанный монокристалл (1, 11) имеет скорости (Vx, Vy, Vz) роста одного порядка величины по основным кристаллографическим осям (X, Y, Z), отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, следующие этапы, на которых:
вырезают из монокристалла зародыш таким образом, что, по меньшей мере, один размер AG3 ребер этого зародыша меньше или равен одной пятой самого большого размера AG1 ребер зародыша, и таким образом, что, по меньшей мере, один размер ребер зародыша превышает или равен 25 мм;
позиционируют зародыш на площадке (50) в необходимой ориентации;
помещают площадку (50) с зародышем (2, 22) в кристаллизатор (70), содержащий раствор (60), а затем приводят ее во вращение для осуществления выращивания монокристалла (1, 11).
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорости (Vx, Vy, Vz) роста являются такими, что самая низкая скорость роста превышает или равна одной четвертой самой высокой скорости роста.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что самая низкая скорость роста превышает или равна половине самой высокой скорости роста.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один размер AG3 ребер зародыша меньше или равен одной десятой наибольшего размере AG1 ребер зародыша.
5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один размер ребер зародыша превышает или равен 50 мм.
6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что зародыш является бруском (2), у которого размеры AG2, AG3 двух самых коротких ребер практически равны между собой и меньше или равны одной пятой размера AG1 самого длинного ребра бруска.
7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что размеры AG2, AG3 двух самых коротких ребер практически равны между собой и меньше или равны одной десятой размера AG1 самого длинного ребра бруска.
8. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что зародыш является пластиной (22), у которой размеры AG3, AG1 двух самых длинных ребер практически равны между собой и превышают или равны пятикратному размеру AG2 самого короткого ребра пластины.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что размеры AG3, AG1 двух самых длинных ребер практически равны между собой и превышают или равны десятикратному размеру AG2 самого короткого ребра пластины.
10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что монокристаллический зародыш (2, 22) является тетрагональным монокристаллом состава Z(H,D)2MO4, где Z является элементом или группой элементов или смесью элементов и/или групп элементов, выбранных из группы К, N(H,D)4, Rb и Се, где М является элементом, выбранным из группы Р и As, и где (Н, D) является водородом и/или дейтерием.
11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что тетрагональный монокристалл (1, 11), полученный путем выращивания в растворе, имеет тот же химический состав, что и монокристаллический зародыш (2, 22).
12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что раствор является пересыщенным, в частности с пересыщением σ, составляющим от 0,1 до 20%.
13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что полученный монокристалл (1, 11) имеет состав Z(H,D)2MO4, где Z является элементом или группой элементов или смесью элементов и/или групп элементов, выбранных из группы К, N(H,D)4, Rb и Се, где М является элементом, выбранным из группы Р и As, и где (Н, D) является водородом и/или дейтерием.
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что монокристалл содержит практически параллелепипедную зону большого размера, у которой, в частности, размер АС1, АС2, АС3 каждого из ребер граней превышает или равен 500 мм.
15. Способ получения, по меньшей мере, одного тетрагонального монокристалла (100, 200), отличающийся тем, что используют монокристалл (1, 11), полученный согласно способу по любому из пп.1-14, и вырезают из него, по меньшей мере, одну монокристаллическую пластину (100, 200) в зоне, достаточно удаленной от зародыша (2, 22) и от зоны (3) регенерации, для получения оптических свойств, обеспечивающих применение пластины или пластин (100, 200) в качестве компонента лазера.
16. Монокристалл, полученный согласно способу по любому из пп.1-15.
17. Тетрагональный монокристалл (1, 11) состава Z(H,D)2MO4, где Z является элементом или группой элементов или смесью элементов и/или групп элементов, выбранных из группы К, N(H,D)4, Rb и Се, где М является элементом, выбранным из группы Р и As, и где (Н, D) является водородом и/или дейтерием, содержащий практически параллелепипедную зону большого размера, у которой размер АС1, АС2, АС3 каждого из ребер граней превышает или равен 100 мм, полученный путем выращивания кристалла в растворе из практически параллелепипедного монокристаллического зародыша (2, 22), ребра которого имеют размеры AG1, AG2, AG3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один размер AG1 ребра зародыша превышает или равен одной десятой, предпочтительно одной четвертой, размера ребра граней монокристалла, и при этом, по меньшей мере, один другой размер АG3 зародыша меньше или равен одной пятой, предпочтительно одной десятой, наибольшего размера ребер граней зародыша.
18. Монокристалл по п.17, отличающийся тем, что каждое из ребер граней имеет размер АС1, АС2, АС3, превышающий или равный 200 мм.
19. Монокристалл по п.18, отличающийся тем, что каждое из ребер граней имеет размер АС1, АС2, АС3, превышающий или равный 500 мм.
20. Монокристалл (1) по любому из пп.17-19, отличающийся тем, что зародыш является бруском (2), у которого два размера AG2, АС3 самых коротких ребер практически равны между собой и меньше или равны одной пятой, предпочтительно одной десятой, размера AG1 самого длинного ребра бруска.
21. Монокристалл (11) по любому из пп.17-19, отличающийся тем, что зародыш является пластиной (22), у которой размеры AG3, AG1 двух самых длинных ребер практически равны между собой и превышают или равны пятикратному, предпочтительно десятикратному, размеру AG2 самого короткого ребра пластины.
22. Монокристалл по любому из пп.17-21, отличающийся тем, что монокристаллический зародыш (2, 22) является тетрагональным монокристаллом состава Z(H,D)2MO4, где Z является элементом или группой элементов или смесью элементов и/или групп элементов, выбранных из группы К, N(H,D)4, Rb и Се, где М является элементом, выбранным из группы Р и As, и где (Н, D) является водородом и/или дейтерием.
23. Монокристалл (1, 11) по п.22, отличающийся тем, что монокристалл (1, 11) и монокристаллический зародыш (2, 22) имеют одинаковый химический состав.
24. Применение монокристаллической пластины, полученной согласно способу по п.15, в качестве элемента Поккельса.
25. Применение монокристаллической пластины (100), полученной согласно способу по п.15, в качестве удвоителя частоты.
26. Применение монокристаллической пластины (200), полученной согласно способу по п.15, в качестве утроителя частоты.
