專利名稱：一種雙折射硼酸鹽系晶體的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙折射光學(xué)晶體領(lǐng)域，特別是涉及一種硼酸鹽系ReBa3B9018 (Re=Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)的雙4斤射晶體及其用途。
背景技術(shù)：
雙折射現(xiàn)象是光在光性非均質(zhì)體晶體中傳播時(shí)表現(xiàn)出來的重要特征 之一。光在光性非均質(zhì)體(如立方晶系以外的晶體)中傳播時(shí)，除個(gè) 別特殊的方向(沿光軸方向)外，會(huì)改變其振動(dòng)特點(diǎn)，分解為兩個(gè)電場 矢量振動(dòng)方向互相垂直，傳播速度不同，折射率不等的兩束偏振光，這 種現(xiàn)象稱為雙折射，這樣的晶體稱為雙折射晶體。兩束光中的一束遵守 一般的折射定律，稱為尋常光(o光)，其折射率用n。表示，另一束不遵 守一般的折射定律，稱為非常光(e光)，其折射率用&表示。利用雙折 射晶體的特性可以得到線偏振光，實(shí)現(xiàn)對光束的位移等。從而使得雙折射晶體成為制作光隔離器，環(huán)形器，光束位移器，光學(xué)起偏器和光學(xué)調(diào) 制器等光電元件關(guān)鍵材料。常用的雙折射材料主要有方解石、金紅石、LiNb03、 YV04以及a-BaB204 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(xué)偏光元件的要 求，而且易于解理，加工比較困難，晶體利用率低。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。LiNb03 晶體易于得到大尺寸晶體，但雙折射率太小。YV04是一種性能良好的人工 雙折射晶體，但由于YV04熔點(diǎn)高，必須使用銥坩堝進(jìn)行晶體生長，且生 長氣氛為弱氧氣氛，從而在生長時(shí)存在釩元素的變價(jià)問題，而使得晶體 質(zhì)量下降，也不易獲得高質(zhì)量的晶體。crBaB204由于存在固態(tài)相變，很容 易在晶體生長過程中開裂。鑒于此，非常有必要尋找一種易于生長，性 質(zhì)穩(wěn)定且具有較大雙折射率的雙折射晶體。中國科學(xué)院物理研究所晶體 生長組在2004年才艮道了一系列同構(gòu)的硼酸鹽化合物，參閱文獻(xiàn)l: Li， X.Z.; Wang， C. ; Chen, X. L.; Li, H. ; Jia， L. S. ; Wu, L. ; Du Y. X.; Xu， Y. P. Inorg. Chem. 2004， 43， 8555。這一系列化合物的化學(xué)式是 ReBa3B90ls (Re=Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)。
它們的空間群都是P63/m，基本結(jié)構(gòu)單元是沿著c軸平行 排列的8306平面基團(tuán)，這種平面基團(tuán)有可能導(dǎo)致大的雙折射率。但是精確 測量晶體的折射率需要尺寸較大的、光學(xué)質(zhì)量較好的單晶。而上述文獻(xiàn) 只是合成了粉末樣品，并沒有得到有價(jià)值的晶體樣品。因此，目前，獲 得單晶的硼酸鹽系ReBa3B90i8 (Re=Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)的雙折射晶體來對其雙折射率進(jìn)行測 量是亟待解決的技術(shù)問題。發(fā)明內(nèi)容為了克服上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的之一是提供一種ReBa3B9018 (Re=Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/ 或Lu)硼酸鹽系的雙折射硼酸鹽晶體。本發(fā)明的另一目的是提供一種上述晶體的用途。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案 本發(fā)明提供了一種ReBa3BA8(Re-Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)硼酸鹽系的雙折射晶體，優(yōu)選單晶，其 中，該晶體透明、且為負(fù)單軸晶體ne〈n。。晶體的雙折射率(n廣n。)數(shù) 值大小為0. 08-0. 15左右；該晶體易于加工和保存，且不溶于水，不潮 解，在空氣中穩(wěn)定，適用于制作。其中，優(yōu)選ReBasBA8 (Re=Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)硼酸鹽系的雙折射晶體尺寸不小于1 x 1 x 0. 5 mm3,更優(yōu)選6x6x3~ 12x12x7鵬3。本發(fā)明提供了一種ReBa3B9018 (Re=Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)硼酸鹽系的雙折射晶體的用途，所述 硼酸鹽系雙折射晶體可用于制造光通訊元件，例如光隔離器、環(huán)形器、 光束位移器、光學(xué)起偏器和光學(xué)調(diào)制器等。特別是用于制作偏光棱鏡、 相位延遲器件和電光調(diào)制器件等。這些器件利用的是晶體的折射率特性， 特別是較大的雙折射率(ns-n。)，該晶體在可見光波段的雙折射率大小 為0. IO-O. 12。4本發(fā)明的ReBa3B9018 (Re=Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)硼酸鹽系的雙折射晶體，可以用高溫熔體法進(jìn)行 單晶生長，且具有如下性質(zhì)晶體透明；晶體是負(fù)單軸晶體ne〈n。；晶體 的雙折射率(ne-n。)數(shù)值大小在0. 08-0. 15左右。同時(shí)該晶體易于切割、 研磨、拋光和保存，不溶于水，不潮解，在空氣中穩(wěn)定，所以非常適于 制作上述的光學(xué)器件。


附圖1為ErBa3BAs晶體的棱鏡； 附圖2為YBa3BAs晶體的棱鏡； 附圖3為不同波長下ErBa3BAs晶體的折射率； 附圖4為ErBa3BAs晶體色散方程中各系數(shù)的值； 附圖5為不同波長下YBa3BAs晶體的折射率； 附圖6為YBa3BA8晶體色散方程中各系數(shù)的值； 附圖7為楔形雙折射晶體偏振分束器示意圖； 附圖8為光隔離器示意圖； 附圖9為光束位移器示意圖。
具體實(shí)施方式
首先，ReBa3B9018 (Re=Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)硼酸鹽系的雙折射單晶的生長采用熔體法進(jìn)行， 此處以生長出的YBa3BAs和ErBa3BAs兩種晶體為例加以解釋"i兌明，其具 體的生長方法可參閱已申請中的中國專利"一種閃爍晶體硼酸鋇釔的制 備方法和用途，，(申請?zhí)?00710063683.5 )。通過該專利的方法，可以 制備出不同稀土元素的ReBa3B9018 (Re-Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)硼酸鹽系的雙折射單晶，只是生長溫 度隨元素的改變而有所改變，這里不再贅述不同元素的具體生長過程。 比如，ErBa3B90ls晶體的生長方法與YBa3B90ls晶體基本相同，不同的是 ErBa3BAs的熔點(diǎn)是1039°C,而其他的生長參數(shù)則與YBa3B9018晶體相似。 對單晶的折射率采用了棱鏡法進(jìn)行測量，其基本方法參閱中華人民共和 國國家標(biāo)準(zhǔn)"晶體折射率的試驗(yàn)方法"(GB/T 16863-1997 )。其中，分別 將折射率測試樣品ErBa3BAs晶體和YBa3B9018晶體做成如圖1和圖2所示的棱鏡，由于晶體比較薄，它們分別和一塊或者兩塊玻璃膠合在一起研磨和拋光。棱鏡的棱是平行于晶體的光軸[OOl]方向的。圖1是ErBa3B,0u 晶體的棱鏡，利用測角儀測量晶體的棱鏡角為30。10'25"。圖2是YBa3BAs 晶體的棱鏡，利用測角儀測量晶體的棱鏡角為17。20'44"。其中頂面ABC 垂直于光軸的方向，棱鏡的兩個(gè)通光面分別垂直于頂面并且均光學(xué)級拋 光。面AA，B，B為光線的入射面，面AA，C，C為出射面。YBa3BAs和ErBa3B9018 同樣都是負(fù)單軸晶體，它們在同一入射波長下的折射率很相近，如在 4358 A入射波長時(shí)，ErBa3A8的e光和o光的4斤射率分別是1. 6059 和1.7327,而YBa3BAs晶體對應(yīng)的值是1. 6014和1. 7224,可以看出這兩 種晶體的折射率的差別很小，雙折射率也很相近，都在O. 10-0. 12。因?yàn)?折射率這種特性與晶體中的BA陰離子基團(tuán)有關(guān)，與其稀土金屬離子關(guān)系 很小，由此可以推^侖出這一同構(gòu)的系列化合物ReBa3B9018(Re=Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)中其他的化合物 也應(yīng)該是具有較大雙折射率的負(fù)單軸晶體。實(shí)施例1 ErBa3BAs晶體折射率測試圖3列出了從紫光到紅光可見光范圍8個(gè)不同波長的折射率測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，ErBa3B9018晶體為負(fù)單軸晶，在可見光波長范圍內(nèi)其雙折射率約為-O. 11。紫光尋常光的(404. 7nm)折射率為1.7327，紅光尋常光的(656. 3nm)折射率為1.7059,其色散力紫-"紅=0. 0268。ErBa3BAs晶體的折射率-色散方程可由四參數(shù)的Sellmeier方程式表達(dá)"2(;i)"+"r^——Dx;i2 U in A) 、, 義2-c式中X表示真空中波長(A), /7為折射率，在295K時(shí)上式中各系數(shù) 擬合結(jié)果如圖4所示。利用該方程可以在一定波長范圍內(nèi)推算折射率值。實(shí)施例2 YBa3BAs晶體折射率測試圖5列出了從紫光到紅光可見光范圍8個(gè)不同波長的折射率測試結(jié) 果。測試結(jié)果表明，YBa3BAs晶體為負(fù)單軸晶，在可見光波長范圍內(nèi)其雙 折射率約為-0. 12。紫光尋常光的(404.7nm)折射率為1.7291，紅光尋常 光的(656.3nm)折射率為1.7000，其色散z 紫-/ 紅-0.0291。YBa3BAs晶體的折射率-色散方程四參數(shù)的Sellmeier方程式"2(義)=j +~-DxA2 U in A) 、, ；i2_C式中X表示真空中波長(A),刀為折射率，在295K時(shí)上式中各系數(shù) 擬合結(jié)果如圖6所示。利用該方程可以在一定波長范圍內(nèi)推算折射率值。實(shí)施例3 NdBa3BAs晶體折射率的計(jì)算這一系列硼酸鹽的大的折射率來自于其基團(tuán)B306的光學(xué)各向異性。 BA由3個(gè)B03基團(tuán)構(gòu)成，而B03基團(tuán)在外電場的作用下平行于平面和垂直 于平面的極化很不同。而根據(jù)Wooster定則，所有層狀結(jié)構(gòu)的晶體，如 果不含OH基團(tuán)，都是負(fù)光軸晶體，參閱文獻(xiàn)[Wooster， W. A. 1931， Zeit. Krist.， 80， 495-503]。利用Bragg關(guān)于折射率的理論計(jì)算，參閱[葉大 年，結(jié)構(gòu)光性礦物學(xué)，地質(zhì)出版社，1998]可以計(jì)算出NdBa3BAs晶體折射 率，仏在1, 58-1. 62范圍內(nèi)，/2。在1. 70-1, 73范圍內(nèi)，仍是負(fù)單軸晶體， 雙折射率在0. l-O. 13范圍。實(shí)施例4 TbBa3BAs晶體折射率的計(jì)算這一系列硼酸鹽的大的折射率來自于其基團(tuán)B306的光學(xué)各向異性。 BA由3個(gè)B03基團(tuán)構(gòu)成，而B03基團(tuán)在外電場的作用下平行于平面和垂直 于平面的極化很不同，類似于C03基團(tuán)。利用Bragg關(guān)于折射率的理論計(jì) 算，參閱[葉大年，結(jié)構(gòu)光性礦物學(xué)，地質(zhì)出版社，1998]可以計(jì)算出 TbBa3BAs晶體折射率，/2e在1.57-1. 62范圍內(nèi)，/ 。在1. 69-1. 73范圍內(nèi)， 仍是負(fù)單軸晶體，雙折射率數(shù)值大小為0. 1-0. 14范圍。應(yīng)用實(shí)施例1楔形雙折射晶體偏振分束器，如圖7所示， 一楔型的雙折射晶體， 光軸的取向如圖7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，兩束光可以分開得越遠(yuǎn)，便于光束的分離。應(yīng)用實(shí)施例2光隔離器，把一個(gè)可將入射光束偏振面旋轉(zhuǎn)45度的法拉第光旋轉(zhuǎn)器 置于一對彼此呈45度交叉放置的雙折射晶體偏振器之間，則可構(gòu)成一臺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8a表示入射的光束可以通過，圖8b表示反射光被阻止了。 應(yīng)用實(shí)施例3光束位移器，加工一個(gè)雙折射晶體，令其光軸面與棱成一角度e，如圖9a所示。當(dāng)自然光垂直入射后，可以分成兩束振動(dòng)方向互相垂直的線 偏振光，如圖9b所示，分別是o光和e光。雙折射率越大，兩束光可以 分開得越遠(yuǎn)，便于光束的分離。值得注意的是，本文中只以ErBa3B9018、 YBa3B9018、 NdBa3B9018 、 TbBa3BAs晶體為例對本發(fā)明所提供的ReBa3B9018 (Re=Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)硼酸鹽系的雙4斤射晶 體進(jìn)行了說明，但對本領(lǐng)域的技術(shù)人員可顯而易見的是，由于折射率折 中特性與晶體中的BA陰離子基團(tuán)有關(guān)，與其稀土金屬離子關(guān)系很小，因 此可以概括出這一同構(gòu)的ReBa3B9018(Re=Y、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Er、 Dy、 Ho、 Tm、 Yb和/或Lu)硼酸鹽系中的其它晶體也應(yīng)該是具有 較大雙折射率的負(fù)單軸晶體。同樣，在本發(fā)明技術(shù)方案基礎(chǔ)上，也可以 對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行各種變化和修改，但都不脫離本發(fā)明所要求保 護(hù)的權(quán)利要求書概括的范圍。
權(quán)利要求
1、一種硼酸鹽系的雙折射晶體，這一系列雙折射晶體的化學(xué)式為ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)，其中，所述晶體透明、且為負(fù)單軸晶體ne＜no。
2、 如權(quán)利要求1所述的雙折射晶體，其特征在于，所述晶體的雙折 射率(ne-n。)的數(shù)值大小為0. 08到0.15。
3、 如權(quán)利要求1所述的雙折射晶體，其特征在于，所述晶體易于加 工和保存，且不溶于水，不潮解，在空氣中穩(wěn)定，這些性質(zhì)滿足雙折射 應(yīng)用的基本要求。
4、 如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的雙折射晶體，其特征在于，所述晶 體為單晶。
5、 如權(quán)利要求4所述的雙折射晶體，其特征在于，所述晶體的尺寸 不小于1 x 1 x 0. 5 mm3。
6、 一種如權(quán)利要1-5任一項(xiàng)所述的雙折射晶體的用途，所述晶體用 于制造光通訊元件，該晶體在可見光波段的雙折射率數(shù)值大小為 0. 08-0. 15。
7、 如權(quán)利要求6所述的用途，其特征在于，所述晶體用于光隔離器、環(huán)形器、光束位移器、光學(xué)起偏器或光學(xué)調(diào)制器。
8、 如權(quán)利要求6所述的用途，其特征在于，所述晶體用于制作偏光棱鏡、相位延遲器件或電光調(diào)制器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硼酸鹽系雙折射光學(xué)晶體及其用途該硼酸鹽系雙折射晶體的化學(xué)式是ReBa₃B₉O₁₈(Re＝Y(jié)、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)。這些晶體都是負(fù)單軸晶體，并于可見光波段的雙折射率數(shù)值大小在0.08-0.15左右。這一系列的晶體易于切割、研磨、拋光和保存，不溶于水，不潮解，在空氣中穩(wěn)定，適于制作光通訊元件，例如光隔離器，環(huán)形器，光束位移器，光學(xué)起偏器和光學(xué)調(diào)制器等。特別是用于制作各種用途的偏光棱鏡，相位延遲器件和電光調(diào)制器件等。這些器件利用的是晶體的折射率特性，特別是較大的雙折射率(n_e-n_o)。
文檔編號C30B29/22GK101323981SQ200810084388
公開日2008年12月17日 申請日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月26日
發(fā)明者明 何, 軍 劉, 王皖燕, 蔡格梅, 許燕萍, 陳小龍 申請人:中國科學(xué)院物理研究所