大尺寸氟化钙晶体的基础性能表征

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0023

摘要/Abstract

摘要： 氟化钙（CaF₂）晶体，因具有低折射率、高抗激光损伤等性能，被广泛应用于消色差透镜和高功率激光系统，特别是在深紫外波段的高透光性，使其成为深紫外（DUV）光刻机不可替代的透镜材料。本研究采用坩埚下降法制备了 $?$ 320 mm的大尺寸CaF₂晶体，并对晶体的力学性能、热学性能及光学质量进行了表征与分析。结果表明，生长的CaF₂晶体（111）晶面的剪切断裂强度为9.2 MPa、弯曲断裂强度为60 MPa，（110）晶面的维氏硬度比（111）晶面的维氏硬度实验结果要高7.69%，晶体内部应力条纹分布相对均匀；148 mm×148 mm×60 mm规格的CaF₂晶体应力双折射均值为0.8 nm/cm， $?$ 150 mm CaF₂晶体的光学均匀性PV值为0.579×10^-6，室温下190~800 nm波段透过率在90%以上。

关键词: 氟化钙晶体; 晶体生长; 热学性能; 力学性能; 光学性能

Abstract: Calcium fluoride （CaF₂） crystals，due to their low refractive index and high resistance to laser damage，are widely used in achromatic lenses and high-power laser systems. Especially their high light transmittance in the deep ultraviolet band makes them an irreplaceable lens material for DUV lithography machines. In this study，large-sized CaF₂ crystals with a diameter of 320 mm were prepared by the crucible descent method，and the mechanical properties，thermal properties and optical quality of the crystals were characterized and analyzed. The results show that the shear fracture strength of the （111） crystal plane of the grown CaF₂ crystal is 9.2 MPa and the flexural fracture strength is 60 MPa. The Vickers hardness test result of the （110） crystal plane is 7.69% higher than that of the （111） crystal plane，and the stress fringe distribution inside the crystal is relatively uniform. The mean stress birefringence of the CaF₂ crystal with a specification of 148 mm×148 mm×60 mm is 0.8 nm/cm. The optical uniformity PV value of the CaF₂ crystal with a diameter of 150 mm is 0.579×10^-6，and the transmittance in the 190~800 nm band at room temperature is above 90%.

Key words: calcium fluoride crystal; crystal growth; thermal property; mechanical property; optical performance

中图分类号:

TQ132.3⁺2

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图/表 8

图1 大口径CaF2晶锭毛坯

Fig.1 Blank of large-diameter CaF2 crystal ingot

图2 CaF2晶体双晶摇摆曲线

Fig.2 Double crystal swing curve of CaF2 crystal

图3 CaF2晶体热学性能

Fig.3 Thermal properties of CaF2 crystal

图4 CaF2晶体力学性能

Fig.4 Mechanical properties of CaF2 crystal

图5 CaF2晶体透过率曲线

Fig.5 Transmission curves of CaF2 crystals

图6 CaF2晶体应力双折射

Fig.6 Stress birefringence of CaF2 crystal

图7 CaF2晶体的光学均匀性

Fig.7 Optical uniformity of CaF2 crystal

图8 空气退火后CaF2晶体透过率曲线

Fig.8 Transmission curves of CaF2 crystals after air annealing

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