[發明專利]新型非線性光學晶體硼酸鈹鈉銫

有效

• 申請號: 201110347844.X
• 申請日: 2011-11-07
• 公開（公告）號: CN102352533A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 葉寧;王時超
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: C30B29/22
• 分類號: C30B29/22;C30B9/12;G02F1/355;G02F1/37;G02F1/39
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技術領域

本發明涉及一種新型光電子功能材料及生長方法和用途，特別是涉及一種非線性光學晶體材料及其制備方法和用途，即硼酸鈹鈉銫，其化學式為Na₂CsBe₆B₅O₁₅，簡稱NCBB。

背景技術

晶體的非線性光學效應是指這樣一種效應：當一束具有某種偏振方向的激光按一定入射方向通過一塊非線性光學晶體（如NCBB）時，該光束的頻率將發生變化。

具有非線型光學效應的晶體稱為非線性光學晶體。利用非線性光學晶體進行激光頻率轉換，拓寬激光波長的范圍，使激光的應用更加廣泛。尤其是硼酸鹽類非線性光學晶體如BaB₂O₄（BBO）、LiB₃O₅（LBO）、KBe₂BO₃F₂（KBBF）、Sr₂Be₂B₂O₇（SBBO）、Ba₂Be₂B₂O₇（TBO）、K₂Al₂B₂O₇（KABO）、BaAl₂B₂O₇（BABO）等晶體以其優異的光學性質而倍受關注。在光學照相、光刻蝕、精密儀器加工等領域的發展越來越需要紫外和深紫外激光相干光源，即需要性能優異的紫外和深紫外非線性光學晶體。

BBO晶體的基本結構基元是(B₃O₆)^3-平面基團，這種基團具有大的共軛π鍵，使得BBO的紫外吸收邊在189nm左右，限制了晶體在紫外區的應用；且大的共軛π鍵也會導致較大的雙折射率（Δn＝0.12），從而限制了它的諧波轉換效率及諧波光的質量。

LBO的基本結構基元是將(B₃O₆)^3-基團中的一個B原子由三配位變成四配位從而形成(B₃O₇)^5-基團。它具有較大的倍頻系數，紫外吸收邊在160nm左右，但是由于在實際晶體內的(B₃O₇)^5-基團互相連接，在空間中形成與z軸成45°的螺旋鏈而無法在晶格中平行排列，使晶體的雙折射率降得過低（Δn＝0.04～0.05），從而使得它在紫外區的相位匹配范圍受到嚴重限制，使帶隙寬的優勢未能充分發揮。

KBBF的基本結構基元是(BO₃)^3-平面基團，此基團與(BeO₃F)^5-通過共用氧原子形成了沿著z方向的Be₂BO₃平面層。由此平面層的存在，使得它的紫外吸收邊在155nm左右，具有適中的雙折射率（Δn＝0.07），可以實現很寬的相位匹配范圍，是目前為止最優秀的深紫外非線性光學晶體。但由于層與層之間是靠靜電吸引而不是通過價鍵相連接的，層狀習性嚴重，在z方向生長速度很慢，生長出的單晶體分層現象明顯，晶體不易生長。

SBBO的基本結構基元也是(BO₃)^3-平面基團，但它用氧取代氟離子，使得層與層之間通過氧橋相互連接，以便改進KBBF的層狀習性，而每一層的結構則保持基本不變。SBBO不僅具有較大的宏觀倍頻系數，低的紫外吸收邊（165nm），適中的雙折射率（Δn＝0.06），而且徹底克服了晶體的層狀習性，解決了晶體生長的問題。在此基礎上，保持(BO₃)^3-基團的結構條件基本不變，替換陽離子Sr²⁺和Be原子，相繼研制了TBO、KABO、BABO等一系列非線性光學晶體，它們統稱為SBBO族晶體。它們克服了KBBF單晶生長的層狀習性，但這些晶體到目前為止還不能取代KBBF單晶，因為SBBO和TBO晶體的結構完整性不好，其宏觀性能顯示的光學均勻性非常差，目前還無法在實際器件中得到應用。