TeO2晶体生长及其热、力学性能研究

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当超声波在晶体中传播时,晶体内产生弹性应力,使晶体折射率发生周期性变化形成超声光栅,光通过超声光栅的晶体时,将产生声光相互作用,具有这种声光效应的晶体叫做声光晶体。声光晶体是声光调制器、声光可调谐滤波器、声光偏转器等声光器件的重要组成部分,在激光技术,光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要应用。目前常见的声光晶体主要有TeO2、PbMoO4、PbBr2及HgCl2晶体等。TeO2晶体具有宽广的透光范围,且在(110)面的剪切波声速较低,声光优值高,是制作各类声光器件的理想材料。本论文以TeO2晶体作为研究对象,系统地研究了 TeO2晶体的下降法单晶生长工艺及其影响因素、热学和力学性能等物理性能,并将热学、力学性能研究的结果用于指导TeO2晶体生长与加工实践。主要内容包括以下几点:(1)研究了籽晶方向、温场分布、生长速率、固液界面形状等因素对TeO2晶体生长的影响,优化晶体生长工艺参数。结果表明,选择[110]或[001]方向的籽晶,温度梯度为25℃~50℃/cm,生长速率0.3 mm/h~0.7mm/h,降温速率为25℃~45℃/h时,生长出TeO2晶体尺寸为(?)40 mm× 110mm,晶体形态完整、无开裂,具有较高的晶体质量,当波长范围为300-3300nm时平均透过率达到75%,双摇摆曲线半峰宽(FWHM)为11″。(2)研究TeO2晶体的热学性能,结果表明,当温度为305K~778K之间变化时,随着温度的升高,原子间距增大,导致晶体产生热膨胀,在[100]方向和[001]方向的热膨胀系数αa在 1.47×10-6/K~22.7×10-6/K,αc在 1.03×10-6/K~6.91×10-6/K 之间逐渐增大,当温度达到450K后逐渐趋于稳定,当温度达到450K之后αa/αc≈3.5。温度在300K~675K之间变化时,[100]方向和[001]方向热扩散系数在1.409 mm2/s~0.726mm2/s,1.957 mm2~0.916mm2/s之间缓慢减小,[100]方向和[001]方向热导率在3.27 W/(m.K)~2.19 W/(m.K),4.17W/(m.K)~2.81 W/(m.K)之间缓慢减小,这种减小趋势主要因晶体内部的导热靠晶格振动和自由电子的运动实现有关,温度越高,热导率越小。300K~675K区间内变化时,TeO2晶体[100]方向和[001]方向的比热值在0.3727(J/(g*K))~0.4727/(J/(g*K))和 0.3697(J/(g*K))~0.4632(J/(g*K))之间逐渐增大。(3)对[100]和[001]取向的Te02晶体进行了力学性能研究,测量了弹性模量和硬度等力学参数。当施加的载荷为50mN~200mN时,[100]和[001]方向的硬度变化是在5.445GPa~4.455 GPa 和 4.664~4.156 GPa 之间逐渐减小,弹性模量在 56.76GPa~53.96 GPa和88.494~81.623 GPa之间变化,体现出了 TeO2晶体的各向异性。利用Meyer定律对晶体硬度的尺寸效应进行了分析,通过方程可以得到材料表面加工产生的残余应力a0,在[100]方向 a0=-18.32834,在[001]方向 a0=-8.25085。
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