一种通过锌离子掺杂提高KDP晶体532nm激光损伤阈值的方法
阅读说明：本技术 一种通过锌离子掺杂提高KDP晶体532nm激光损伤阈值的方法 (Method for improving 532nm laser damage threshold of KDP crystal through zinc ion doping ) 是由 王圣来 张力元 杨厚文 程文雍 刘慧� 李祥琳 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种通过锌离子掺杂提高KDP晶体532nm激光损伤阈值的方法,利用Zn～(2+)来调控KDP晶体的激光损伤性能。通过控制生长原料中含Zn～(2+)化合物的加入量,可生长出不同Zn～(2+)含量的KDP晶体。少量Zn～(2+)存在的情况下可提高KDP晶体抗532nm激光体损伤的能力,为提高KDP晶体损伤性能提供新的途径。本发明制备工艺简单、晶体生长周期短、生产过程无特殊环境要求,并且与未掺杂的晶体相比,制得的掺Zn～(2+)晶体的532nm激光损伤阈值得到提高,这将在KDP晶体的实际应用中提供依据。(The invention relates to a method for improving 532nm laser damage threshold of KDP crystal by doping zinc ions, which utilizes Zn 2+ The laser damage performance of the KDP crystal is regulated and controlled. By controlling the Zn content in the growth raw material 2+ Different Zn can be grown by adding the compound 2+ KDP crystals of content. Small amount of Zn 2+ Under the existing condition, the capacity of the KDP crystal for resisting 532nm laser body damage can be improved, and a new way is provided for improving the KDP crystal damage performance. The preparation method has the advantages of simple preparation process, short crystal growth period and no special environmental requirements in the production process, and compared with undoped crystals, the prepared Zn-doped crystal 2+ The 532nm laser damage threshold of the crystal is improved, which provides a basis in the practical application of KDP crystal.)
技术领域
本发明属于KDP晶体制备工艺和光学性能领域，具体涉及一种通过Zn2+掺杂提高KDP晶体532nm激光损伤阈值的方法。
背景技术
磷酸二氢钾(KDP)具有优良的电光和非线性光学特性，是大口径、高功率激光系统的首选光学材料。与传统法(～2mm/d)生长KDP单晶相比，“点籽晶”快速生长技术中晶体的生长速率可达到50mm/d，这大大提高了晶体的制备效率。
解决了KDP晶体的生长速率问题后，相关研究人员重点关注晶体的光学性能，尤其是激光损伤性质，这直接关系到高功率激光工程工作的稳定性和安全性。针对于提高KDP晶体抗激光损伤性能，研究人员从晶体加工、晶体后处理等方面开展深入研究。例如，专利文件CN105252375A提供了一种离子束弹性域刻蚀来提升KDP晶体激光损伤阈值的方法，其通过离子束刻蚀来清除晶体因加工导致表面残存的抛光粉等，从而提高KDP晶体抗激光损伤能力。这是从晶体加工抛光的角度来试图提升KDP晶体损伤性能。另外，专利文件CN112730262A提供了一种提升KDP类晶体飞秒激光诱导损伤阈值的装置及方法，其提到能够对飞秒激光器用KDP类晶体倍频元件进行大面积激光预处理，因此可提升晶体的损伤性能。然而，以上现有技术都未涉及KDP晶体生长相关的激光损伤性能。
目前，未发现通过主动掺杂来提升KDP晶体532nm激光损伤阈值的相关报道。为此，提出本发明。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种通过Zn2+掺杂提高KDP晶体532nm激光损伤阈值的方法。
本发明的技术方案如下：
一种通过Zn2+掺杂提高KDP晶体532nm激光损伤阈值的方法，在KDP晶体中掺杂Zn2 +，Zn2+的掺杂量控制为Zn/K摩尔比在0.0005～0.002。
根据本发明，优选的，通过在KDP晶体生长过程中实现Zn2+的掺杂。
根据本发明，优选的，KDP晶体生长采用“点籽晶”快速生长方法；进一步优选的，以磷酸二氢钾过饱和溶液为原料，添加Zn2+化合物实现Zn2+的掺杂。
根据本发明，优选的，所述的Zn2+化合物为Zn(H2PO4)2、Zn(H2PO4)2·2H2O、Zn(OH)2、Zn3(PO4)2、ZnO中的一种或者两种以上混合。
根据本发明，优选的，所述的过饱和溶液控制过饱和度为4％～6％。
根据本发明，优选的，晶体生长降温区间为60～30℃。
根据本发明，通过Zn2+掺杂提高KDP晶体532nm激光损伤阈值的方法，一种优选的实施方案，包括步骤如下：
(1)生长溶液的制备：取磷酸二氢钾和去离子水，按比例称取含Zn2+化合物，将三者制备成晶体生长溶液；
(2)晶体生长：将籽晶固定在生长架上，以“正-停-反”的模式转动生长，晶体生长过饱和度控制为4％～6％。
根据本发明，优选的，步骤(2)中转动速率为70～80r/min。
根据本发明，对于生长得到的Zn2+掺杂的KDP晶体，在532nm波长下以R-on-1和1-on-1测试模式下测得零损伤概率的激光损伤阈值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明首次提出掺杂阳离子(Zn2+)来提高KDP晶体532nm激光损伤阈值，利用Zn2 +来调控KDP晶体的激光损伤性能。通过控制生长原料中含Zn2+化合物的加入量，可生长出不同Zn2+含量的KDP晶体。少量Zn2+存在的情况下可提高KDP晶体抗532nm激光体损伤的能力，为提高KDP晶体损伤性能提供新的途径。
2、本发明制备工艺简单、晶体生长周期短、生产过程无特殊环境要求，并且与未掺杂的晶体相比，制得的掺Zn2+晶体的532nm激光损伤阈值得到提高，与未掺杂Zn2+的KDP晶体相比，提高幅度可达10～50％以上，这将在KDP晶体的实际应用中提供依据。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步详细描述，但不限于此。
实施例1
一种通过Zn2+掺杂提高KDP晶体532nm激光损伤阈值的方法，在KDP晶体中掺杂Zn2 +，Zn2+的掺杂量控制为Zn/K摩尔比在0.0005，包括步骤如下：
(1)生长溶液的制备：取393g磷酸二氢钾和785mL去离子水，按Zn/K摩尔比为0.0005称取Zn(H2PO4)2原料。将三者溶解在容积为1000mL的玻璃瓶中，并将溶液经220nm孔径的滤膜过滤。将过滤后的溶液在80℃(饱和点为60℃)保温24h制备成晶体生长溶液；
(2)晶体生长：取z向切割的晶体，按照8×8×3mm3的尺寸加工为生长籽晶，籽晶固定在材质为聚四氟乙烯生长架的生长平台上，生长架以“正-停-反”的模式转动，并且转速设定为77r/min。晶体生长温度区间设定为60～40℃，过饱和度控制为4％。
实施例2
一种通过Zn2+掺杂提高KDP晶体532nm激光损伤阈值的方法，在KDP晶体中掺杂Zn2 +，Zn2+的掺杂量控制为Zn/K摩尔比在0.002，包括步骤如下：
(1)生长溶液的制备：取393g磷酸二氢钾和785mL去离子水，按Zn/K摩尔比为0.002称取Zn(H2PO4)2原料。将三者溶解在容积为1000mL的玻璃瓶中，并将溶液经220nm孔径的滤膜过滤。将过滤后的溶液在80℃(饱和点为60℃)保温24h制备成晶体生长溶液；
(2)晶体生长：同实施例1中步骤(2)。
对比例1
(1)生长溶液的制备：取393g磷酸二氢钾和785mL去离子水。将二者溶解在容积为1000mL的玻璃瓶中，并将溶液经220nm孔径的滤膜过滤。将过滤后的溶液在80℃(饱和点为60℃)保温24h制备成晶体生长溶液；
(2)晶体生长：同实施例1中步骤(2)。
对比例2
(1)生长溶液的制备：取393g磷酸二氢钾和785mL去离子水，按Zn/K摩尔比为0.008称取Zn(H2PO4)2原料。将三者溶解在容积为1000mL的玻璃瓶中，并将溶液经220nm孔径的滤膜过滤。将过滤后的溶液在80℃(饱和点为60℃)保温24h制备成晶体生长溶液；
(2)晶体生长：同实施例1中步骤(2)。
试验例1
样品制备：将实施例1“点籽晶”快速生长得到的体块晶体按照II类方向切割，取KDP晶体锥区部分，样品被命名为Zn500-Py；取KDP晶体柱区部分，样品被命名为Zn500-Pr。切割所得晶体尺寸设定为10×10×10mm3，并且都需进行两个通光面的精抛光。
样品表征：将样品进行激光损伤阈值的测试，其中测试模式分为R-on-1和1-on-1。所使用的激光器为调Q掺钕YAG激光器，测试时脉宽为8ns，激光波长为532nm，焦距为2m。
实验结果：在R-on-1和1-on-1模式下，测得Zn500-Py的损伤阈值分别为8.45J/cm2和5.26J/cm2，Zn500-Pr的损伤阈值分别为8.14J/cm2和4.55J/cm2。
试验例2
样品制备：将对比例1“点籽晶”快速生长得到的体块晶体按照II类方向切割，取KDP晶体锥区部分，样品被命名为Zn0-Py；取KDP晶体柱区部分，样品被命名为Zn0-Pr。切割所得晶体尺寸设定为10×10×10mm3，并且都需进行两个通光面的精抛光。
样品表征：将样品进行激光损伤阈值的测试，其中测试模式分为R-on-1和1-on-1。所使用的激光器为调Q掺钕YAG激光器，测试时脉宽为8ns，激光波长为532nm，焦距为2m。
实验结果：在R-on-1和1-on-1模式下，测得Zn0-Py的损伤阈值分别为8.14J/cm2和4.07J/cm2。在R-on-1和1-on-1模式下，Zn0-Pr的损伤阈值分别为6.94J/cm2和3.59J/cm2。
对比实施例1和对比例1样品的激光损伤阈值可知，相比对比例1未掺杂的样品，在R-on-1和1-on-1模式下，实施例1的Zn500-Py激光损伤阈值分别提升3.81％和29.24％。在R-on-1和1-on-1模式下，Zn500-Pr激光损伤阈值分别提升17.29％和26.74％。可见，本发明在KDP晶体中掺杂Zn2+，Zn2+的掺杂量控制为Zn/K摩尔比在0.0005～0.002，能够大幅提高激光损伤阈值。
试验例3
样品制备：将实施例2“点籽晶”快速生长得到的体块晶体按照II类方向切割，取KDP晶体锥区部分，样品被命名为Zn2000-Py；取KDP晶体柱区部分，样品被命名为Zn2000-Pr。切割所得晶体尺寸设定为10×10×10mm3，并且都需进行两个通光面的精抛光。
样品表征：将样品进行激光损伤阈值的测试，其中测试模式分为R-on-1和1-on-1。所使用的激光器为调Q掺钕YAG激光器，测试时脉宽为8ns，激光波长为532nm，焦距为2m。
实验结果：在R-on-1和1-on-1模式下，测得Zn2000-Py的损伤阈值分别为9.57J/cm2和5.74J/cm2。相比对比例1未掺杂的样品，实施例2的激光损伤阈值分别提升17.57％和41.03％。在R-on-1和1-on-1模式下，Zn2000-Pr的损伤阈值分别为8.22J/cm2和5.50J/cm2。相比对比例1未掺杂的样品，实施例2的激光损伤阈值分别提升18.44％和53.20％。可见，本发明在KDP晶体中掺杂Zn2+，Zn2+的掺杂量控制为Zn/K摩尔比在0.0005～0.002，能够大幅提高激光损伤阈值。
试验例4
样品制备：将对比例2“点籽晶”快速生长得到的体块晶体按照II类方向切割，取KDP晶体锥区部分，样品被命名为Zn8000-Py；取KDP晶体柱区部分，样品被命名为Zn8000-Pr。切割所得晶体尺寸设定为10×10×10mm3，并且都需进行两个通光面的精抛光。
样品表征：将样品进行激光损伤阈值的测试，其中测试模式分为R-on-1和1-on-1。所使用的激光器为调Q掺钕YAG激光器，测试时脉宽为8ns，激光波长为532nm，焦距为2m。
实验结果：在R-on-1模式下，测得Zn8000-Py的损伤阈值为7.82J/cm2。相比对比例1未掺杂的样品，激光损伤阈值下降3.93％。在R-on-1模式下，Zn8000-Pr的损伤阈值为6.86J/cm2。相比对比例1未掺杂的样品，激光损伤阈值下降1.15％。可见，本发明Zn2+掺杂比例过高，对于激光损伤阈值会有不利影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例，用于帮助阐述本发明。本发明的保护范围并不仅仅局限于上述实施例，但凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
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