[发明专利]偏硼酸锂晶体的制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种偏硼酸锂晶体的制备方法和用途，该方法所述的晶体化学式为LiBO₂，分子量为49.75，属于单斜晶系，空间群为P2₁/c，晶胞参数为a=5.85(8)Å，b=4.35(7)Å，c=6.46(6)Å,β=115.1(5)°,Z=4；采用熔体法或助熔剂法生长晶体；通过本发明所述方法获得的偏硼酸锂晶体易于生长、易于加工，用于红外‑可见‑深紫外波段，可用于制作格兰型棱镜、渥拉斯顿棱镜、洛匈棱镜或光束分离偏振器等偏振分束棱镜和光隔离器、环形器、光束位移器等光学元件，在光学和通讯领域有重要应用。

技术领域

本发明涉及一种用于红外-可见-深紫外波段的分子式为LiBO₂的偏硼酸锂晶体的制备方法和用途，属于人工晶体生长技术领域和光学技术领域。

背景技术

双折射是光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。具有双折射现象的晶体称为双折射晶体。产生双折射现象的晶体可分为单轴晶体和双轴晶体，三方、四方或六方晶系的晶体是单轴晶体，正交、单斜和三斜晶系的晶体称为双轴晶体。晶体的双折射是电光功能材料的重要光学性能参数，伴随着近年来光通讯技术的迅猛发展，双折射晶体成为制作格兰棱镜、渥拉斯顿棱镜等偏振分束棱镜以及光隔离器、光束位移器、环形器等光通讯元件的关键材料。

常用的双折射晶体材料主要有YVO₄晶体、金红石晶体、LiNbO₃晶体、方解石晶体、MgF₂晶体以及α-BaB₂O₄晶体等。YVO₄是一种性能良好的人工双折射晶体，而且容易用提拉法生长出大尺寸高光学品质的晶体，但是它的透过范围是400-5000nm，不能用于紫外区。金红石虽然双折射大但由于硬度大加工器件难度较大。LiNbO₃晶体易于得到大尺寸晶体，但双折射率太小。主要以天然形式存在的方解石晶体杂质含量比较高，人工合成比较困难，一般尺寸都比较小，无法满足大尺寸光学偏光元件的要求，普通方解石晶体只能使用于350nm以上波段，紫外光学级方解石晶体获得困难，其使用波段也无法达到深紫外区(<200nm)。MgF₂晶体是一种应用于深紫外很好的材料，它的透过范围宽(110-8500nm)，但是它的双折射率太小，不适合用作制造格兰棱镜，只能用于洛匈棱镜，且光束分离角小，器件尺寸大，使用不便。α-BaB₂O₄由于存在固态相变，很容易在晶体生长过程中开裂。因此，急需探索新的能够克服现有双折射晶体缺点的新型双折射晶体材料从而满足光通讯技术等领域发展的迫切需求。

含有碱金属或者碱土金属阳离子的硼酸盐具有宽的透过范围和优异的紫外透过能力，因此在光学领域尤其是在深紫外光谱区具有重要的应用价值。本发明提供的偏硼酸锂晶体分子式为LiBO₂属于单斜晶系，是一个中心对称的化合物，1964年由W.H.Zachariasen等人首次合成并给出了详细的晶体结构，参阅文献：Acta Cryst.,17(1964),749-751。之后虽然也有关于该晶体的研究，但是高质量大尺寸单晶的生长及该晶体作为光学晶体的用途却鲜有报道。最新理论研究表明，如果晶体结构中阴离子基团全部为BO₃并且平行或近平行排列时，有利于增大材料的双折射率。本发明提供的偏硼酸锂的晶体结构中BO₃基团通过共顶点连接形成的链沿着b轴方向平行排列，这种排列方式非常有利于产生大的双折射率。实验结果证实了该晶体具有大的双折射率、宽的透光范围和深紫外透过能力，因此该晶体是一种非常具有应用价值的光学晶体材料，本发明提供的方法易于操作，生长出的晶体质量高，在双折射晶体、光学器件等方面易于得到广泛应用。

发明内容