《Optical Materials》：Growth-Mediated Sectoral Anisotropies in Rapidly Grown KDP Crystals: Impurity Adsorption and Defect-Dominated Optical-Mechanical Heterogeneity
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KDP晶体通过点种快速生长法形成的金字塔区和棱柱区存在显著光学与机械性能差异，源于负表面电荷引起的杂质富集和局部电子缺陷，以及晶向键强度分布不同。高速激光辐照下，晶格应变导致的缺陷传播被显著放大。研究成果为高功率激光系统中的晶体优化提供了关键理论依据。
雷国栋|李向辉|黄俊如|曹忠军|李阳|任宏凯|张立松|徐明霞|刘宝安|孙迅
山东大学晶体材料国家重点实验室，中国济南 250100
摘要
磷酸二氢钾（KDP）晶体是高功率激光系统和电光设备中的关键组件，然而由于快速生长机制导致的生长区域差异性尚未得到充分理解，这限制了其性能的优化。本文系统研究了通过“点籽”快速生长方法生长的KDP晶体中金字塔形和棱柱形区域之间的光学和机械各向异性。综合表征表明，棱柱形区域的紫外光透射率显著较低，355纳米激光诱导的损伤阈值也较低。这种差异归因于棱柱形区域的负表面电荷，这种电荷在生长过程中促进了杂质阳离子（如Fe3+）的优先吸附，从而产生了局部电子缺陷，改变了光电响应。此外，纳米压痕和断裂韧性分析显示金字塔形区域的硬度更高，这是由于晶体各方向上的键强度分布不同所致。关键的是，机械性能的变化通过应变诱导的晶格畸变与光学性能相关联，在高功率照射下放大了缺陷的传播。这些发现不仅建立了由快速生长动力学控制的结构-性能关系，还为KDP晶体在高场应用中的区域特定工程提供了重要见解。
引言
磷酸二氢钾（KH2PO4, KDP）是一种高性能多功能晶体材料，自20世纪60年代以来已被广泛用于非线性光学和电光应用，因为它具有宽透射带、低半波电压、大的线性电光系数、优异的光学均匀性以及能够形成大单晶等优点[1]、[2]、[3]、[4]。目前，KDP晶体在惯性约束聚变（ICF）的高功率激光系统中发挥着关键作用，特别是在国家点火装置（NIF）等设施中作为二次谐波发生器和光开关[5]。
为了满足ICF应用的要求，已经开发了两种主要的晶体生长方法：传统生长方法[6]、[7]、[8]和快速生长技术[9]。虽然传统方法可以产出高质量的晶体，但其生长速度慢且成本高，带来了显著的工程挑战[10]、[11]、[12]。相比之下，“点籽”快速生长方法能够在高度过饱和溶液中同时沿[001]和[100]晶体学方向进行晶体生长，实现了显著更高的生长速率[13]、[14]。这种方法产生的晶体包含明显的棱柱形和金字塔形区域，两者之间由棱柱-金字塔（PY-PR）界面分隔。
关于KDP晶体的先前研究可以分为三个主要主题。首先，比较不同生长方法的研究表明，虽然快速生长在金字塔形区域产生的光学质量与传统方法相当[15]，但它引入了更强的非线性折射效应，尤其是在棱柱形区域[16]。其次，对PY-PR界面的研究揭示了显著的性能差异，棱柱形区域表现出更强的激光损伤阈值和更好的光学均匀性[17]。第三，关于光学性质的研究发现PY-PR界面处存在相位跳变，这会导致光束强度调制，可能影响光束质量并损坏光学元件[18]。因此，在由快速生长晶体制成的光学设备中必须避免使用PY-PR界面。
尽管有这些有价值的发现，但系统地比较棱柱形和金字塔形区域之间的结构、光学和功能差异仍然不足。这种表征对于优化晶体生长过程和确保高性能光学设备的可靠性至关重要。
为了解决这一知识空白，我们对通过“点籽”快速生长方法生长的KDP晶体进行了全面研究。本研究系统地表征了不同晶体区域的光学、机械和热性能，包括透射率、微机械性能、光热弱吸收、线性吸收系数以及355纳米处的激光诱导损伤阈值（LIDT）。我们的发现为设备制造中的区域特定选择提供了关键指导，最终提高了快速生长KDP晶体在高功率激光系统中的性能和可靠性。
章节片段
晶体生长
KDP晶体是使用“点籽”快速生长方法生长的。溶液由高纯度KDP原料和超纯水制备，饱和温度设定为55°C。通过0.1 μm和0.03 μm膜依次过滤以去除颗粒杂质后，将溶液放入5000毫升玻璃瓶中进行晶体生长。需要注意的是，没有添加额外的金属离子掺杂剂。
晶体生长和样品制备
本研究中使用的KDP样品来自图1所示的晶体。晶体尺寸为51.2毫米×48.3毫米×62.1毫米，生长速率为每天6毫米。晶体透明，肉眼可见的宏观缺陷不存在。样品的详细信息总结在下面的表格中。
在样品表征之前，样品经过了多模态显微成像缺陷检测系统的扫描分析，以评估晶体质量。
结论
为了系统研究快速生长KDP晶体中金字塔形和棱柱形区域之间的差异，我们对其光学和机械性能进行了表征。结果表明，随着生长过程中溶液过饱和度的增加，主导的生长机制从螺旋位错驱动转变为二维成核驱动。值得注意的是，这种转变的临界过饱和度阈值在金字塔形和棱柱形区域之间是不同的，从而导致内在的
CRediT作者贡献声明
刘宝安：撰写 – 审稿与编辑。徐明霞：验证。张立松：项目管理。任宏凯：研究。李向辉：资源协调。雷国栋：撰写 – 初稿。孙迅：监督。黄俊如：形式分析。李阳：方法学。曹忠军：方法学
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了山东省泰山学者计划[编号tstp20231207]和安徽省科技创新平台资助的重大科技项目（202305a12020028）的支持。
