本發(fā)明涉及一種氟礬酸鉛雙折射晶體及其制備方法和應用，特別是一種用于紅外-可見波段的分子式為Pb₂VO₂F₅的氟礬酸鉛雙折射晶體及其制備方法和應用。

背景技術(shù)：

目前主要應用的雙折射材料有方解石晶體、金紅石晶體、LiNbO₃晶體、YVO₄晶體、α-BaB₂O₄晶體以及MgF₂晶體等。然而方解石晶體主要以天然形式存在，人工合成比較困難，一般尺寸都比較小，雜質(zhì)含量比較高，無法滿足大尺寸光學偏光元件的要求，而且易于解離，加工比較困難，晶體利用率低，普通方解石晶體只能使用于350nm以上波段，紫外光學級方解石晶體獲得困難，其使用波段也無法達到深紫外區(qū)（<250nm)。金紅石也主要以天然形式存在，人工合成比較困難，且尺寸較小，硬度大，難以加工。LiNbO₃晶體易于得到大尺寸晶體，但雙折射率太小。YVO₄是一種性能良好的人工雙折射晶體，但是它的透過范圍是400-5000 nm，不能用于紫外區(qū)，而且由于YVO₄熔點高，必須使用銥坩堝進行提拉生長，且生長的氣氛為弱氧氣氛，從而在生長時存在銥元素的變價問題，從而使得晶體的質(zhì)量下降，不易獲得高質(zhì)量的晶體。α-BaB₂O₄由于存在固態(tài)相變，很容易在晶體生長過程中開裂。MgF₂晶體的透過范圍是110-8500 nm，它是一種應用于深紫外很好的材料，但是它的雙折射率太小，不適合用作制造格蘭棱鏡，只能用于洛匈棱鏡，且光速分離角小，器件尺寸大，使用不便。本發(fā)明提供的Pb₂VO₂F₅雙折射晶體的透過范圍寬(450-1300 nm),并且雙折射率大(0.327-0.579)，且可用于紅外-可見波段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的在于提供一種氟礬酸鉛雙折射晶體，該晶體化學式為Pb₂VO₂F₅，屬于三斜晶系，空間群為P-1，晶胞參數(shù)為a = 5.6827(6)?，b = 7.3729(8)?，c = 8.3478(10)?，V = 289.77(6) ?³，Z = 2；該晶體用于紅外-可見波段，為正雙軸晶體，n_z - n_y > n_y- n_x，透過范圍為450-1300 nm；并且雙折射率在0.327-0.579之間。

本發(fā)明的另一目的在于提供Pb₂VO₂F₅雙折射晶體的制備方法。

本發(fā)明的再一目的在于提供Pb₂VO₂F₅雙折射晶體的應用。

所述氟礬酸鉛雙折射晶體的制備方法，采用化合物水熱生長晶體，具體操作步驟按下進行：

a、將PbO、V₂O₅和HF酸置于23 mL的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓水熱釜中，再加入去離子水1-5 mL，使其充分混合均勻。

b、將步驟a中混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應釜中，放置在烘箱內(nèi)，以5-50 °C/h的速率升溫至160-200 °C，恒溫2-3天，再以溫度1-10 °C/h的降溫速率降至室溫，得到含有黃色晶體的溶液；

c、將步驟b得到晶體的溶液過濾，用去離子水或無水乙醇洗滌，即可得到黃色的透明單晶。

步驟a中PbO、V₂O₅和HF的物質(zhì)的量的比為4-6 : 2-3 : 30-40。

所述的氟礬酸鉛雙折射晶體在制備制作偏振分束棱鏡的應用

本發(fā)明所述的氟礬酸鉛雙折射晶體易于生長、易于切割、易于研磨、易于拋光和易于保存，在空氣中穩(wěn)定，不易潮解，不溶于水；該晶體具有機械強度較好，易加工等特點，制備周期短。

本發(fā)明所述的氟礬酸鉛雙折射晶體采用水熱法即可得到質(zhì)量較高的氟礬酸鉛雙折射晶體。

制備Pb₂VO₂F₅化合物的化學反應式：

(1) 4PbO + V₂O₅ + 10HF → 2Pb₂VO₂F₅ + 5H₂O

(2) 4PbO + 2NH₄VO₃ + 10HF → 2Pb₂VO₂F₅ + 6H₂O + NH3↑

(3) 4Pb(OH)₂ + V₂O₅ + 10HF → Pb₂VO₂F₅ + 9H₂O

(4) 4Pb(OH)₂ + 2NH₄VO₃ + 10HF → Pb₂VO₂F₅ + 10H₂O + NH3↑

(5) 4PbCO₃ + V₂O₅ + 10HF → Pb₂VO₂F₅+ 5H₂O + 4CO₂↑

(6) 4PbCO₃ + 2NH₄VO₃ + 10HF → Pb₂VO₂F₅+ 6H₂O + 4CO₂↑ + NH3↑

(7) 4PbC₂O₄ + V₂O₅ + 10HF → Pb₂VO₂F₅+ 5H₂O + 8CO₂↑

(8) 4(CH₃COO)₂Pb·3H₂O + V₂O₅ + 10HF → Pb₂VO₂F₅+ 5H₂O + 16CO₂↑

所述氟礬酸鉛雙折射晶體，該晶體用于紅外-可見波段，為正雙軸晶體，n_z - n_y > n_y - n_x，透過范圍450-1300 nm，雙折射率在0.327-0.579之間。

所述氟礬酸鉛雙折射晶體在制備制作偏振分束棱鏡的應用。

所述的偏振分束棱鏡為格蘭型棱鏡、渥拉斯頓棱鏡、洛匈棱鏡或光束分離偏振器。

本發(fā)明所述的氟礬酸鉛雙折射晶體，晶體化學式為Pb₂VO₂F₅，屬于三斜晶系，空間群為P-1，晶胞參數(shù)為a = 5.6827(6)?，b = 7.3729(8)?，c = 8.3478(10)?，V = 289.77(6) ?³，Z=2，為正雙軸晶體，n_z - n_y > n_y - n_x，透過范圍是450-1300 nm; 雙折射率在0.327-0.579之間；晶體易于生長、易于切割、易于研磨、易于拋光和易于保存，在空氣中穩(wěn)定，不易潮解，不溶于水；在制備方法中采用水熱法生長晶體。所獲得的晶體在空氣中穩(wěn)定，不易潮解，不溶于水。能夠用于制作格蘭型棱鏡、渥拉斯頓棱鏡、洛匈棱鏡或光束分離偏振器等偏振分束棱鏡，在光學和通訊領域有重要應用。

附圖說明

圖 1為用于紅外-可見波段的Pb₂VO₂F₅雙折射晶體的單包結(jié)構(gòu)圖；

圖 2為用于紅外-可見波段的Pb₂VO₂F₅雙折射晶體的XRD圖；

圖 3用于紅外-可見波段的Pb₂VO₂F₅雙折射晶體的折射率n和雙折射率Δn與波長λ的關(guān)系圖；

圖 4為本發(fā)明楔形雙折射晶體偏振分束器示意圖；

圖 5為本發(fā)明光隔離器示意圖；

具體實施方式：

實施例1：

以化學反應式4PbO + V₂O₅ + 10HF → 2Pb₂VO₂F₅ + 5H₂O為例，具體操作如下：

a、將PbO、V₂O₅和HF按摩爾比4 : 2 : 35置于23 mL的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓水熱釜中，再加入去離子水3 mL，使其充分混合均勻。

b、將步驟a中混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應釜中，放置在烘箱內(nèi)，以20 °C/h的速率的升溫速率升溫至180 °C恒溫3天，再以溫度10 °C/h的降溫速率降至室溫，得到含有黃色晶體的溶液；

c、將步驟b得到晶體的溶液過濾，用去離子水或無水乙醇洗滌，即可得到黃色透明單晶。

實施例2：

以化學反應式4PbO + 2NH₄VO₃ + 10HF → 2Pb₂VO₂F₅ + 6H₂O + NH3↑為例，具體操作如下：

a、將PbO、NH₄VO₃和HF按摩爾比4 : 3 : 38置于23 mL的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓水熱釜中，再加入去離子水2 mL，使其充分混合均勻。

b、將步驟a中混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應釜中，放置在烘箱內(nèi)，以40 °C/h的速率的升溫速率升溫至200 °C恒溫2天，再以溫度5 °C/h的降溫速率降至室溫，得到含有黃色晶體的溶液；

c、將步驟b得到晶體的溶液過濾，用去離子水或無水乙醇洗滌，即可得到黃色透明單晶。

實施例3：

以化學反應式4Pb(OH)₂ + V₂O₅ + 10HF → Pb₂VO₂F₅ + 9H₂O為例，具體操作如下：

a、將Pb(OH)₂、V₂O₅和HF按摩爾比6 : 2 : 33置于23 mL的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓水熱釜中，再加入去離子水4mL，使其充分混合均勻。

b、將步驟a中混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應釜中，放置在烘箱內(nèi)，以30 °C/h的速率的升溫速率升溫至180 °C恒溫2天，再以溫度10 °C/h的降溫速率降至室溫，得到含有黃色晶體的溶液；

c、將步驟b得到晶體的溶液過濾，用去離子水或無水乙醇洗滌，即可得到黃色透明單晶。

實施例4：

以化學反應式4Pb(OH)₂ + 2NH₄VO₃ + 10HF → Pb₂VO₂F₅ + 10H₂O + NH3↑為例，具體操作如下：

a、將Pb(OH)₂、NH₄VO₃和HF按摩爾比6 : 3 : 35置于23 mL的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓水熱釜中，再加入去離子水2 mL，使其充分混合均勻。

b、將步驟a中混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應釜中，放置在烘箱內(nèi)，以40 °C/h的速率的升溫速率升溫至190 °C恒溫3天，再以溫度5 °C/h的降溫速率降至室溫，得到含有黃色晶體的溶液；

c、將步驟b得到晶體的溶液過濾，用去離子水或無水乙醇洗滌，即可得到黃色透明單晶。

實施例5：

以化學反應式4PbCO₃ + V₂O₅ + 10HF → Pb₂VO₂F₅+ 5H₂O + 4CO₂↑為例，具體操作如下：

a、將PbCO₃、V₂O₅和HF按摩爾比5 : 2 : 33置于23 mL的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓水熱釜中，再加入去離子水5 mL，使其充分混合均勻。

b、將步驟a中混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應釜中，放置在烘箱內(nèi)，以30 °C/h的速率的升溫速率升溫至200 °C恒溫3天，再以溫度10 °C/h的降溫速率降至室溫，得到含有黃色晶體的溶液；

c、將步驟b得到晶體的溶液過濾，用去離子水或無水乙醇洗滌，即可得到黃色透明單晶。

實施例6：

以化學反應式4PbCO₃ + 2NH₄VO₃ + 10HF → Pb₂VO₂F₅+ 6H₂O + 4CO₂↑ + NH3↑為例，具體操作如下：

a、將PbCO₃、NH₄VO₃和HF按摩爾比5 : 3 : 40置于23 mL的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓水熱釜中，再加入去離子水3 mL，使其充分混合均勻。

b、將步驟a中混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應釜中，放置在烘箱內(nèi)，以40 °C/h的速率的升溫速率升溫至160 °C恒溫3天，再以溫度5 °C/h的降溫速率降至室溫，得到含有黃色晶體的溶液；

c、將步驟b得到晶體的溶液過濾，用去離子水或無水乙醇洗滌，即可得到黃色透明單晶。

實施例7：

以化學反應式4PbC₂O₄ + V₂O₅ + 10HF → Pb₂VO₂F₅+ 5H₂O + 8CO₂↑為例，具體操作如下：

a、將PbC₂O₄、V₂O₅和HF按摩爾比4 : 3 : 35置于23 mL的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓水熱釜中，再加入去離子水4 mL，使其充分混合均勻。

b、將步驟a中混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應釜中，放置在烘箱內(nèi)，以20 °C/h的速率的升溫速率升溫至200 °C恒溫3天，再以溫度10 °C/h的降溫速率降至室溫，得到含有黃色晶體的溶液；

c、將步驟b得到晶體的溶液過濾，用去離子水或無水乙醇洗滌，即可得到黃色透明單晶。

實施例8：

以化學反應式4(CH₃COO)₂Pb·3H₂O + V₂O₅ + 10HF → Pb₂VO₂F₅+ 5H₂O + 16CO₂↑為例，具體操作如下：

a、將(CH₃COO)₂Pb·3H₂O、V₂O₅和HF按摩爾比6 : 3 : 38置于23 mL的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓水熱釜中，再加入去離子水5 mL，使其充分混合均勻。

b、將步驟a中混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應釜中，放置在烘箱內(nèi)，以30 °C/h的速率的升溫速率升溫至200 °C恒溫3天，再以溫度5 °C/h的降溫速率降至室溫，得到含有黃色晶體的溶液；

c、將步驟b得到晶體的溶液過濾，用去離子水或無水乙醇洗滌，即可得到黃色透明單晶。

實施例9

將實施例1-8所得任意的Pb₂VO₂F₅晶體，用于制備楔形雙折射晶體偏振分束器（如圖4所示）。一個楔形的雙折射晶體，光軸的取向如圖所示，一束自然光入射后經(jīng)過晶體可以分成兩束線偏振光，雙折射率越大，兩束光可以分開的越遠，便于光束的分離。

實施例10

將實施例1-8所得任意的Pb₂VO₂F₅晶體，用于制備光隔離器。將一個入射光束偏振面旋轉(zhuǎn)45°的法拉第光旋轉(zhuǎn)器置于一對彼此45°交叉放置的雙折射晶體偏轉(zhuǎn)器之間，則可構(gòu)成一臺光隔離器，它只允許正向傳播的光束通過該系統(tǒng)，而將反向傳播的光束阻斷，圖5a表示入射的光束可以通過，圖5b表示反射光被阻止了。