[发明专利]新型非线性光学晶体低温相硼酸铍钾

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种新型光电子功能材料及生长方法和用途，特别是涉及一种非线性光学晶体材料及其制备方法和用途，即低温相硼酸铍钾，其化学式为γ-KBe₂B₃O₇，简称γ-KBB。

背景技术

晶体的非线性光学效应是指这样一种效应：当一束具有某种偏振方向的激光按一定入射方向通过一块非线性光学晶体（如γ-KBB）时，该光束的频率将发生变化。

具有非线型光学效应的晶体称为非线性光学晶体。利用非线性光学晶体进行激光频率转换，拓宽激光波长的范围，使激光的应用更加广泛。尤其是硼酸盐类非线性光学晶体如BaB₂O₄（BBO）、LiB₃O₅（LBO）、KBe₂BO₃F₂（KBBF）、Sr₂Be₂B₂O₇（SBBO）、Ba₂Be₂B₂O₇（TBO）、K₂Al₂B₂O₇（KABO）、BaAl₂B₂O₇（BABO）等晶体以其优异的光学性质而倍受关注。在光学照相、光刻蚀、精密仪器加工等领域的发展越来越需要紫外和深紫外激光相干光源，即需要性能优异的紫外和深紫外非线性光学晶体。

BBO晶体的基本结构基元是(B₃O₆)^3-平面基团，这种基团具有大的共轭π键，使得BBO的紫外吸收边在189nm左右，限制了晶体在紫外区的应用；且大的共轭π键也会导致较大的双折射率（Δn＝0.12），从而限制了它的谐波转换效率及谐波光的质量。

LBO的基本结构基元是将(B₃O₆)^3-基团中的一个B原子由三配位变成四配位从而形成(B₃O₇)^5-基团。它具有较大的倍频系数，紫外吸收边在160nm左右，但是由于在实际晶体内的(B₃O₇)^5-基团互相连接，在空间中形成与z轴成45°的螺旋链而无法在晶格中平行排列，使晶体的双折射率降得过低（Δn＝0.04～0.05），从而使得它在紫外区的相位匹配范围受到严重限制，使带隙宽的优势未能充分发挥。

KBBF的基本结构基元是(BO₃)^3-平面基团，此基团与(BeO₃F)^5-通过共用氧原子形成了沿着z方向的Be₂BO₃平面层。由此平面层的存在，使得它的紫外吸收边在155nm左右，具有适中的双折射率（Δn＝0.07），可以实现很宽的相位匹配范围，是目前为止最优秀的深紫外非线性光学晶体。但由于层与层之间是靠静电吸引而不是通过价键相连接的，层状习性严重，在z方向生长速度很慢，生长出的单晶体分层现象明显，晶体不易生长。

SBBO的基本结构基元也是(BO₃)^3-平面基团，但它用氧取代氟离子，使得层与层之间通过氧桥相互连接，以便改进KBBF的层状习性，而每一层的结构则保持基本不变。SBBO不仅具有较大的宏观倍频系数，低的紫外吸收边（165nm），适中的双折射率（Δn＝0.06），而且彻底克服了晶体的层状习性，解决了晶体生长的问题。在此基础上，保持(BO₃)^3-基团的结构条件基本不变，替换阳离子Sr²⁺和Be原子，相继研制了TBO、KABO、BABO等一系列非线性光学晶体，它们统称为SBBO族晶体。它们克服了KBBF单晶生长的层状习性，但这些晶体到目前为止还不能取代KBBF单晶，因为SBBO和TBO晶体的结构完整性不好，其宏观性能显示的光学均匀性非常差，目前还无法在实际器件中得到应用。