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大尺寸高性能中红外晶体研制

 大尺寸高性能中红外晶体研制

中红外晶体是构建高功率全固态中红外激光相干光源的核心材料,美俄等国家先后投入大量的人力物力进行研发,分别成功发展水平生长和竖直生长两大制备技术,并在国际上长期形成技术垄断。

为了打破国外技术垄断,提高中国的装备技术水平,中国工程物理研究院化工材料研究所康彬研究员主持完成了“新型中红外晶体制备关键技术探索研究”,历经三年左右的攻关,突破大尺寸高性能中红外晶体制备核心设备与关键工艺,实现了全系列国产化,成功打破了俄美对这项技术的垄断,可为我国高能量高功率中红外激光技术发展提供关键材料支撑。

1.核心设备的突破

中红外晶体合成与生长气压高、组分偏析严重、各向异性大、极易开裂与产生孪晶,对制备设备要求很高,目前国内外无商用的红外晶体制备专用设备。

根据中红外晶体合成与生长特性,自行设计热场,研制出具有知识产权的多段高精密控制中红外晶体合成炉(图1)、垂直和水平两类单晶生长炉(图2)以及器件退火炉等系列关键设备,成功实现中红外晶体核心制备设备的国产化,该系列设备具有控温精度高、温场调节方便、热场稳定性好、自动化程度高等特点,适合用于工程化推广。

 2.关键工艺的突破

    通过该项目的攻关,形成了多晶合成、单晶生长及定向切割等一系列的工程能力。发明动态温场多晶原料合成新工艺,克服合成过程中易炸裂和计量比易失衡的技术难题,成功实现500g量级的中红外多晶原料的宏量制备(图3)。

开发出独具特色的定向籽晶缩颈关键技术,克服红外晶体易开裂、易形成孪晶的技术瓶颈,在国内率先实现了水平生长,并获得低位错密度的完整大单晶(356g,Φ31×160mm,图4),同时突破大尺寸单晶垂直生长法关键技术,获得了世界上口径最大的公斤级大单晶(φ55×130mm,图4)。

发明适用于多种无特征方向的晶体定向技术,通过定向切割、打磨抛光与镀膜,获得多批次晶体器件(图5),实现了高转化效率的高功率中红外激光输出(图6)。

 3.应用情况

目前,在大量应用领域迫切需求中红外非线性光学晶体及器件。民用领域包括红外光谱、红外医疗器械、红外激光沉积、红外光刻、大气中有害物质的监测等;国防领域包括红外对抗、红外遥控、卫星跟踪、激光雷达以及生化武器遥控探测等。该项目开发的中红外晶体具有均匀性好、吸收系数低、稳定性好、出光效率高的特点,已应用于多兵种平台所需的小型化红外光源的原理样机的研制,大大提高我国全固态红外激光相干光源的功率水平及自主研制能力,对我国相关国防装备的升级换代有着不可替代的重要作用。

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