[发明专利]高温相偏硼酸钡(α-BaB2O4)晶体的生长方法

说明书

本发明涉及一种高温相偏硼酸钡(α-BaB₂O₄)晶体的生长方法。

高温相偏硼酸钡晶体(简称α-BBO)是一种新型的双折射晶体，它属三方晶系(a=b=0.7235nm，c=3.9192nm，α=β=90°，y=120°)，空间群为R3c，为负单轴晶，透光范围宽(190nm～3500nm)，双折射率大，是一种极具潜力、有望部分取代天然方解石的新型双折射晶体，可制作成各种规格的棱镜和光学器件．如渥拉斯顿棱镜、洛匈棱镜、格兰一泰勒棱镜、偏光棱镜和光隔离器件等等。

偏硼酸钡BaB₂O₄存在高温(α-BaB₂O₄)和低温(β-BaB₂O₄)两个相，其相变温度为925℃。β相无对称中心，是个性能优良的倍频晶体，由中国科学院福建物质结构研究所陈创天等人发明，用熔盐法生长，参阅文献：中国科学，第7期(1984)598-604。α相有对称中心，一致共熔，熔点为1100℃，可用提拉法生长，1966年由A．D．Mighell，A．Perloff和S．Block等人合成，并给出了详细结构，参阅文献：Acta Cryst．20(1966)819．823。

1996年初中国科学院上海光学精密研究所与福建福州科腾光电有限公司合作，将α-BBO晶体作为性能优良的双折射晶体，用提拉法生长大尺寸(φ50mm)晶体获得成功。但由于熔体中硼-氧环[B₃O₆]^3-的存在以及晶体生长习性的影响，晶体各方向生长速率差别太大，[110]方向生长速率快，[001]方向生长速率最慢，晶体外形难以控制；另外，由于α-BaB₂O₄晶体各方向的热膨胀系数相差很大：α_//a 轴=5.39l×10^-6，α_//c 轴=1.089x10^-5(而对于β-BBO：α_//a 轴=1.716x10^-5，α_//c 轴=1.932x10^-5，相差不大)，因此α-BBO晶体生长时易开裂，影响了晶体的成品率和利用率。

本发明的目的是要克服上述用提拉法生长α-BaB₂O₄晶体的缺点，解决晶体外形难以控制，在晶体生长过程中，由于晶体各方向的热膨胀系数相差较大，因而造成晶体容易开裂的问题，以致提高长出大尺寸的α-BaB₂O₄晶体的成品率和利用率。

本发明提出用坩埚下降法生长大尺寸α-BaB₂O₄晶体。其关键技术是从α-BaB₂O₄的熔体底部结晶，坩埚下降，固液界面自下而上移动生长晶体。

本发明所用的坩埚下降法生长α-BaB₂O₄晶体的装置为电阻加热温梯炉见图1，炉体内部的结构包括坩埚和发热体，坩埚1是置于炉体内中心位置上，用陶瓷管2支撑，在陶瓷管2内充填以Al₂O₃粉末作为保温层3，陶瓷管2连同保温层3一起置于下降传动装置4上。发热体5位于坩埚周围，由氧化铝耐火砖6环绕。在上下炉膛之间安装一个隔热档板7，以减少上腔温度对下腔温度的影响，形成较大的温度梯度。还有供测量和监控温度用的Pt-Rh或Ni-Cr热电偶8伸到坩埚1底部。炉体之外还有UPS稳压电源和818P4欧路精密控温系统。坩埚1由铂(Pt)金制成，坩埚底部为圆锥形，中心有一籽晶槽9，使结晶料充分熔解又保证籽晶不被熔化。坩埚顶端带有一铂(Pt)金片所做成的坩埚盖10，有效地抑制α-BaB₂O₄熔体的挥发。

发热体5由硅钼或硅碳材料制成，熔体中的温度分布是底部温度低，上部温度高，主要通过调节发热体5和隔热板7的位置，以形成一个合理的温度梯度。图2是炉膛内较合理的温度分布曲线。