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ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)的雙折射晶體及其用途。
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，會改變其振動特點(diǎn)，分解為兩個(gè)電場矢量振動方向互相垂直，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no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ne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、LiNbO3、YVO4以及α-BaB2O4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。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，但由于YVO4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。α-BaB2O4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年報(bào)道了一系列同構(gòu)的硼酸鹽化合物，參閱文獻(xiàn)1Li，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ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、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B3O6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ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、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ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、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ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、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＜no。晶體的雙折射率(ne-no)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ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、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1×1×0.5mm3，更優(yōu)選6×6×3～12×12×7mm3。
本發(fā)明提供了一種ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、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(ne-no)，該晶體在可見光波段的雙折射率大小為0.10-0.12。
本發(fā)明的ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、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＜no；晶體的雙折射率(ne-no)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ErBa3B9O18晶體的棱鏡；附圖2為YBa3B9O18晶體的棱鏡；附圖3為不同波長下ErBa3B9O18晶體的折射率；附圖4為ErBa3B9O18晶體色散方程中各系數(shù)的值；附圖5為不同波長下YBa3B9O18晶體的折射率；附圖6為YBa3B9O18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)施例方式
首先，ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、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YBa3B9O18和ErBa3B9O18兩種晶體為例加以解釋說明，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ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、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，ErBa3B9O18晶體的生長方法與YBa3B9O18晶體基本相同，不同的是ErBa3B9O18的熔點(diǎn)是1039℃，而其他的生長參數(shù)則與YBa3B9O18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/T16863-1997)。其中，分別將折射率測試樣品ErBa3B9O18晶體和YBa3B9O18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
方向的。圖1是ErBa3B9O18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YBa3B9O18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。YBa3B9O18和ErBa3B9O18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入射波長時(shí)，ErBa3B9O18的e光和o光的折射率分別是1.6059和1.7327，而YBa3B9O18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0.10-0.12。因?yàn)檎凵渎蔬@種特性與晶體中的B3O6陰離子基團(tuán)有關(guān)，與其稀土金屬離子關(guān)系很小，由此可以推論出這一同構(gòu)的系列化合物ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、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 ErBa3B9O18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，ErBa3B9O18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-0.11。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n紫-n紅＝0.0268。
ErBa3B9O18晶體的折射率-色散方程可由四參數(shù)的Sellmeier方程式表達(dá) 式中λ表示真空中波長()，n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 YBa3B9O18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，YBa3B9O18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n紫-n紅＝0.0291。
YBa3B9O18晶體的折射率-色散方程四參數(shù)的Sellmeier方程式 式中λ表示真空中波長()，n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 NdBa3B9O18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)B3O6的光學(xué)各向異性。B3O6由3個(gè)BO3基團(tuán)構(gòu)成，而BO3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NdBa3B9O18晶體折射率，ne在1.58-1.62范圍內(nèi)，no在1.70-1.73范圍內(nèi)，仍是負(fù)單軸晶體，雙折射率在0.1-0.13范圍。
實(shí)施例4 TbBa3B9O18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)B3O6的光學(xué)各向異性。B3O6由3個(gè)BO3基團(tuán)構(gòu)成，而BO3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CO3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TbBa3B9O18晶體折射率，ne在1.57-1.62范圍內(nèi)，no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θ，如圖9a所示。當(dāng)自然光垂直入射后，可以分成兩束振動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ErBa3B9O18、YBa3B9O18、NdBa3B9O18、TbBa3B9O18晶體為例對本發(fā)明所提供的ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)硼酸鹽系的雙折射晶體進(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B3O6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ReBa3B9O18(Re＝Y(jié)、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-no)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1×1×0.5mm3。
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ReBa
文檔編號G02B1/02GK101034180SQ20071009876
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月26日
發(fā)明者陳小龍, 何明, 王皖燕, 蔡格梅, 許燕萍, 劉軍 申請人:中國科學(xué)院物理研究所