专利名称：一种双折射硼酸盐系晶体的用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及双折射光学晶体领域，特别是涉及一种硼酸盐系ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)的双折射晶体及其用途。
背景技术：
双折射现象是光在光性非均质体晶体中传播时表现出来的重要特征之一。光在光性非均质体(如立方晶系以外的晶体)中传播时，除个别特殊的方向(沿光轴方向)外，会改变其振动特点，分解为两个电场矢量振动方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两束偏振光，这种现象称为双折射，这样的晶体称为双折射晶体。两束光中的一束遵守一般的折射定律，称为寻常光(o光)，其折射率用no表示，另一束不遵守一般的折射定律，称为非常光(e光)，其折射率用ne表示。利用双折射晶体的特性可以得到线偏振光，实现对光束的位移等。从而使得双折射晶体成为制作光隔离器，环形器，光束位移器，光学起偏器和光学调制器等光电元件关键材料。
常用的双折射材料主要有方解石、金红石、LiNbO3、YVO4以及α-BaB2O4晶体等。然而方解石晶体主要以天然形式存在，人工合成比较困难，一般尺寸都比较小，杂质含量比较高，无法满足大尺寸光学偏光元件的要求，而且易于解理，加工比较困难，晶体利用率低。金红石也主要以天然形式存在，人工合成比较困难，且尺寸较小，硬度大，难以加工。LiNbO3晶体易于得到大尺寸晶体，但双折射率太小。YVO4是一种性能良好的人工双折射晶体，但由于YVO4熔点高，必须使用铱坩埚进行晶体生长，且生长气氛为弱氧气氛，从而在生长时存在钒元素的变价问题，而使得晶体质量下降，也不易获得高质量的晶体。α-BaB2O4由于存在固态相变，很容易在晶体生长过程中开裂。鉴于此，非常有必要寻找一种易于生长，性质稳定且具有较大双折射率的双折射晶体。中国科学院物理研究所晶体生长组在2004年报道了一系列同构的硼酸盐化合物，参阅文献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。这一系列化合物的化学式是ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)。它们的空间群都是P63/m，基本结构单元是沿着c轴平行排列的B3O6平面基团，这种平面基团有可能导致大的双折射率。但是精确测量晶体的折射率需要尺寸较大的、光学质量较好的单晶。而上述文献只是合成了粉末样品，并没有得到有价值的晶体样品。因此，目前，获得单晶的硼酸盐系ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)的双折射晶体来对其双折射率进行测量是亟待解决的技术问题。
发明内容
为了克服上述的技术问题，本发明的目的之一是提供一种ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)硼酸盐系的双折射硼酸盐晶体。
本发明的另一目的是提供一种上述晶体的用途。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案本发明提供了一种ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)硼酸盐系的双折射晶体，优选单晶，其中，该晶体透明、且为负单轴晶体ne＜no。晶体的双折射率(ne-no)数值大小为0.08-0.15左右；该晶体易于加工和保存，且不溶于水，不潮解，在空气中稳定，适用于制作。
其中，优选ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)硼酸盐系的双折射晶体尺寸不小于1×1×0.5mm3，更优选6×6×3～12×12×7mm3。
本发明提供了一种ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)硼酸盐系的双折射晶体的用途，所述硼酸盐系双折射晶体可用于制造光通讯元件，例如光隔离器、环形器、光束位移器、光学起偏器和光学调制器等。特别是用于制作偏光棱镜、相位延迟器件和电光调制器件等。这些器件利用的是晶体的折射率特性，特别是较大的双折射率(ne-no)，该晶体在可见光波段的双折射率大小为0.10-0.12。
本发明的ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)硼酸盐系的双折射晶体，可以用高温熔体法进行单晶生长，且具有如下性质晶体透明；晶体是负单轴晶体ne＜no；晶体的双折射率(ne-no)数值大小在0.08-0.15左右。同时该晶体易于切割、研磨、抛光和保存，不溶于水，不潮解，在空气中稳定，所以非常适于制作上述的光学器件。
附图1为ErBa3B9O18晶体的棱镜；附图2为YBa3B9O18晶体的棱镜；附图3为不同波长下ErBa3B9O18晶体的折射率；附图4为ErBa3B9O18晶体色散方程中各系数的值；附图5为不同波长下YBa3B9O18晶体的折射率；附图6为YBa3B9O18晶体色散方程中各系数的值；附图7为楔形双折射晶体偏振分束器示意图；附图8为光隔离器示意图；附图9为光束位移器示意图。
具体实施例方式
首先，ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)硼酸盐系的双折射单晶的生长采用熔体法进行，此处以生长出的YBa3B9O18和ErBa3B9O18两种晶体为例加以解释说明，其具体的生长方法可参阅已申请中的中国专利“一种闪烁晶体硼酸钡钇的制备方法和用途”(申请号200710063683.5)。通过该专利的方法，可以制备出不同稀土元素的ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)硼酸盐系的双折射单晶，只是生长温度随元素的改变而有所改变，这里不再赘述不同元素的具体生长过程。比如，ErBa3B9O18晶体的生长方法与YBa3B9O18晶体基本相同，不同的是ErBa3B9O18的熔点是1039℃，而其他的生长参数则与YBa3B9O18晶体相似。对单晶的折射率采用了棱镜法进行测量，其基本方法参阅中华人民共和国国家标准“晶体折射率的试验方法”(GB/T16863-1997)。其中，分别将折射率测试样品ErBa3B9O18晶体和YBa3B9O18晶体做成如图1和图2所示的棱镜，由于晶体比较薄，它们分别和一块或者两块玻璃胶合在一起研磨和抛光。棱镜的棱是平行于晶体的光轴
方向的。图1是ErBa3B9O18晶体的棱镜，利用测角仪测量晶体的棱镜角为30°10′25″。图2是YBa3B9O18晶体的棱镜，利用测角仪测量晶体的棱镜角为17°20′44″。其中顶面ABC垂直于光轴的方向，棱镜的两个通光面分别垂直于顶面并且均光学级抛光。面AA’B’B为光线的入射面，面AA’C’C为出射面。YBa3B9O18和ErBa3B9O18同样都是负单轴晶体，它们在同一入射波长下的折射率很相近，如在4358入射波长时，ErBa3B9O18的e光和o光的折射率分别是1.6059和1.7327，而YBa3B9O18晶体对应的值是1.6014和1.7224，可以看出这两种晶体的折射率的差别很小，双折射率也很相近，都在0.10-0.12。因为折射率这种特性与晶体中的B3O6阴离子基团有关，与其稀土金属离子关系很小，由此可以推论出这一同构的系列化合物ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)中其他的化合物也应该是具有较大双折射率的负单轴晶体。
实施例1 ErBa3B9O18晶体折射率测试图3列出了从紫光到红光可见光范围8个不同波长的折射率测试结果。测试结果表明，ErBa3B9O18晶体为负单轴晶，在可见光波长范围内其双折射率约为-0.11。紫光寻常光的(404.7nm)折射率为1.7327，红光寻常光的(656.3nm)折射率为1.7059，其色散n紫-n红＝0.0268。
ErBa3B9O18晶体的折射率-色散方程可由四参数的Sellmeier方程式表达 式中λ表示真空中波长()，n为折射率，在295K时上式中各系数拟合结果如图4所示。利用该方程可以在一定波长范围内推算折射率值。
实施例2 YBa3B9O18晶体折射率测试图5列出了从紫光到红光可见光范围8个不同波长的折射率测试结果。测试结果表明，YBa3B9O18晶体为负单轴晶，在可见光波长范围内其双折射率约为-0.12。紫光寻常光的(404.7nm)折射率为1.7291，红光寻常光的(656.3nm)折射率为1.7000，其色散n紫-n红＝0.0291。
YBa3B9O18晶体的折射率-色散方程四参数的Sellmeier方程式 式中λ表示真空中波长()，n为折射率，在295K时上式中各系数拟合结果如图6所示。利用该方程可以在一定波长范围内推算折射率值。
实施例3 NdBa3B9O18晶体折射率的计算这一系列硼酸盐的大的折射率来自于其基团B3O6的光学各向异性。B3O6由3个BO3基团构成，而BO3基团在外电场的作用下平行于平面和垂直于平面的极化很不同。而根据Wooster定则，所有层状结构的晶体，如果不含OH基团，都是负光轴晶体，参阅文献[Wooster，W.A.1931，Zeit.Krist.，80，495-503]。利用Bragg关于折射率的理论计算，参阅[叶大年，结构光性矿物学，地质出版社，1998]可以计算出NdBa3B9O18晶体折射率，ne在1.58-1.62范围内，no在1.70-1.73范围内，仍是负单轴晶体，双折射率在0.1-0.13范围。
实施例4 TbBa3B9O18晶体折射率的计算这一系列硼酸盐的大的折射率来自于其基团B3O6的光学各向异性。B3O6由3个BO3基团构成，而BO3基团在外电场的作用下平行于平面和垂直于平面的极化很不同，类似于CO3基团。利用Bragg关于折射率的理论计算，参阅[叶大年，结构光性矿物学，地质出版社，1998]可以计算出TbBa3B9O18晶体折射率，ne在1.57-1.62范围内，no在1.69-1.73范围内，仍是负单轴晶体，双折射率数值大小为0.1-0.14范围。
应用实施例1楔形双折射晶体偏振分束器，如图7所示，一楔型的双折射晶体，光轴的取向如图7所示。一束自然光入射后经过晶体可以分成两束线偏振光。双折射率越大，两束光可以分开得越远，便于光束的分离。
应用实施例2光隔离器，把一个可将入射光束偏振面旋转45度的法拉第光旋转器置于一对彼此呈45度交叉放置的双折射晶体偏振器之间，则可构成一台光隔离器，它只允许正向传播的光束通过该系统，而将反向传播的光束阻断。图8a表示入射的光束可以通过，图8b表示反射光被阻止了。
应用实施例3光束位移器，加工一个双折射晶体，令其光轴面与棱成一角度θ，如图9a所示。当自然光垂直入射后，可以分成两束振动方向互相垂直的线偏振光，如图9b所示，分别是o光和e光。双折射率越大，两束光可以分开得越远，便于光束的分离。
值得注意的是，本文中只以ErBa3B9O18、YBa3B9O18、NdBa3B9O18、TbBa3B9O18晶体为例对本发明所提供的ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)硼酸盐系的双折射晶体进行了说明，但对本领域的技术人员可显而易见的是，由于折射率折中特性与晶体中的B3O6阴离子基团有关，与其稀土金属离子关系很小，因此可以概括出这一同构的ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)硼酸盐系中的其它晶体也应该是具有较大双折射率的负单轴晶体。同样，在本发明技术方案基础上，也可以对本发明的技术方案进行各种变化和修改，但都不脱离本发明所要求保护的权利要求书概括的范围。
权利要求
1.一种硼酸盐系的双折射晶体，这一系列双折射晶体的化学式为ReBa3B9O18(Re＝Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Er、Dy、Ho、Tm、Yb和/或Lu)，其中，所述晶体透明、且为负单轴晶体ne＜no。
2.如权利要求1所述的双折射晶体，其特征在于，所述晶体的双折射率(ne-no)的数值大小为0.08到0.15。
3.如权利要求1所述的双折射晶体，其特征在于，所述晶体易于加工和保存，且不溶于水，不潮解，在空气中稳定，这些性质满足双折射应用的基本要求。
4.如权利要求1-3任一项所述的双折射晶体，其特征在于，所述晶体为单晶。
5.如权利要求4所述的双折射晶体，其特征在于，所述晶体的尺寸不小于1×1×0.5mm3。
6.一种如权利要1-5任一项所述的双折射晶体的用途，所述晶体用于制造光通讯元件，该晶体在可见光波段的双折射率数值大小为0.08-0.15。
7.如权利要求6所述的用途，其特征在于，所述晶体用于光隔离器、环形器、光束位移器、光学起偏器或光学调制器。
8.如权利要求6所述的用途，其特征在于，所述晶体用于制作偏光棱镜、相位延迟器件或电光调制器件。
全文摘要
本发明涉及一种硼酸盐系双折射光学晶体及其用途该硼酸盐系双折射晶体的化学式是ReBa
文档编号G02B1/02GK101034180SQ20071009876
公开日2007年9月12日 申请日期2007年4月26日 优先权日2007年4月26日
发明者陈小龙, 何明, 王皖燕, 蔡格梅, 许燕萍, 刘军 申请人:中国科学院物理研究所