KDP晶体生长流体剪应力分布

论文摘要

KDP类(磷酸二氢钾)晶体是20世纪40年代发展起来的一类优良的电光非线性光学材料,广泛的应用于激光变频、电光调制和光快速开关等高技术领域。KDP晶体具有较大的电光非线性系数,激光损伤阈值高的特性,特别是能够生长出满足大口径通光所需要的大尺寸单晶体。这是迄今任何非线性光学材料所不及的。大截面KDP类晶体是目前唯一可应用于激光核聚变中的非线性光学材料。由于ICF(inertial confinement fusion,惯性约束核聚变)的发展对KDP晶体质量、尺寸、数量上的新要求,近年来关于其研究的热点在于:在保证晶体质量的前提下尽量提高其生长速度,缩短生长周期,降低成本,以及如何提高生长晶体的质量。晶体生长形态上的稳定性及团聚的形成都依赖于晶面上剪应力的分布;晶体表面生长台阶的方向、速度、高度等与界面溶液的流动状态有密切关系,晶面上剪应力的分布影响着晶面与生长溶液之间的边界层厚度,边界层的厚度关系着晶体生长的速度和质量。因此,研究KDP晶体表面的剪应力的分布有利于生长高质量大尺寸的KDP晶体。本文利用有限体积法对KDP生长溶液中KDP晶体表面的流体剪应力进行稳态三维数值模拟,研究生长溶液的流体剪应力对KDP晶体生长的影响,以便为本实验室运用AFM研究KDP晶体生长机理搭建实验台提供相应的参考。分别研究了不同的溶液进口速度,不同的进口位置和不同的籽晶大小时KDP晶体晶面上剪应力的分布。通过分析结晶器内正截面、横截面及侧截面的速度矢量图,KDP晶体up、behind、left三个晶面上剪应力的分布图和剪应力分布曲线图发现:在靠近溶液进口一侧的晶体边缘处的剪应力值较大,且随着进口速度的增大、籽晶的增大,靠近来流一侧晶体边缘处的剪应力值随之增加;进口速度、进口位置及籽晶大小的变化都使得晶面上剪应力的分布发生了改变。改进物理模型后的计算结果表明,晶面上剪应力的分布有着与物理模型改进前类似的结果,只是在有些晶面上剪应力随着进口速度、进口位置及籽晶大小的改变,其上剪应力分布的变化没有前者大。模拟的结果为后续搭建在AFM观测台上开展实时观察KDP晶体生长研究实验台提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 问题的提出
• 1.3 晶体生长概述
• 1.4 KDP 晶体的国内外研究现状
• 1.4.1 国外的研究现状
• 1.4.2 国内的研究现状
• 1.5 基本的研究方法
• 1.5.1 实验法
• 1.5.2 模拟法
• 1.6 本课题的研究内容
• 2 数值计算模型及计算方法
• 2.1 物理模型与假设
• 2.2 数学模型
• 2.3 模型的网格划分
• 2.4 计算方法
• 2.4.1 FLUENT 软件介绍
• 2.4.2 FLUENT 解决问题的步骤
• 2.4.3 控制方程的离散格式
• 2.4.4 动量方程中非线性项的处理
• 2.5 边界条件
• 2.6 本章小结
• 3 计算结果及分析
• 3.1 不同进口速度时结晶器内溶液的速度矢量场分析
• 3.2 不同进口位置时结晶器内溶液的速度矢量场分析
• 3.3 不同籽晶大小时结晶器内溶液的速度矢量场分析
• 3.4 不同进口速度时典型晶面上剪应力分布
• 3.5 不同进口位置时典型晶面上剪应力分布
• 3.6 不同籽晶大小时典型晶面上剪应力分布
• 3.7 典型位置上的剪应力分布
• 3.7.1 不同进口速度对剪切力的影响
• 3.7.2 不同进口位置对剪应力分布的影响
• 3.7.3 不同籽晶大小对剪应力分布的影响
• 3.8 改进物理模型后的剪应力分布
• 3.8.1 不同进口速度对剪应力分布的影响
• 3.8.2 不同进口位置对剪应力分布的影响
• 3.8.3 不同籽晶大小对剪应力分布的影响
• 3.9 UP 晶面中心处剪应力
• 3.10 本章小结
• 4 结论及工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录