新疆理化所研發出系列深紫外雙折射晶體

　　雙折射晶體是一種重要的光電功能材料，可對光的偏振態進行調制和檢測，是制備偏振分束器等偏振器件以及光隔離器、環形器、光電調制器等的關鍵材料，已被廣泛應用于激光偏光技術、光通訊、偏光信息處理、高精度科研儀器等技術和科研領域。隨著全固態深紫外激光(< 200 nm)的不斷發展，亟需開發適用的深紫外雙折射晶體。當前，商業化的雙折射晶體主要有YVO4、冰洲石、LiNbO3、金紅石、α-BaB2O4 (α-BBO)以及MgF2等晶體。其中α-BBO具有較大的雙折射率、高的激光損傷閾值以及寬的透光范圍，可廣泛應用于近紅外、可見光以及紫外光波段高功率激光系統，是紫外區唯一可實際應用的具有大雙折射率的雙折射晶體材料。然而受到透過范圍的限制，α-BBO很難應用于深紫外（< 200 nm）波段。MgF2晶體是成為深紫外區僅有的雙折射材料，但它的雙折射率太小（~0.01），限制了其高效使用。

　　為了在硼酸鹽中探索高性能的深紫外雙折射晶體材料，中國科學院新疆理化技術研究所新型光電功能晶體研究室科研人員基于經典的偶極-偶極相互作用模型對B-O基團進行了系統的理論研究，首次提出了[BO2]∞無限鏈是產生大雙折射率的最佳B-O功能基元。并利用第一性原理方法篩選出了既具有大的雙折射率又具有短的紫外截止邊的雙折射晶體Ca(BO2)2。首次用提拉法生長出了尺寸達50 × 41 × 22 mm3的高質量晶體。該晶體的紫外截止邊（169 nm）比α-BBO的截止邊（189 nm）短了20 nm，雙折射率較大（Δn = 0.2471@193 nm），并具有很好的熱學穩定性、抗潮解性和適中的硬度。基于Ca(BO2)2雙折射晶體，首次制作出了可用于深紫外區的格蘭偏振器，并用193 nm的激光對它的有效性進行了驗證，測試表明它的消光比高達1.1 × 104，能夠滿足實際應用要求。該研究成果以全文的形式發表在《美國化學會志》上（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 16311），并申請了中國、國外發明ZL。

　　近期，研究人員繼續在硼酸鹽體系探索，設計合成出了一例新的深紫外雙折射晶體Li2Na2B2O5。與傳統的以BO3、B3O6為功能基元的硼酸鹽雙折射晶體不同，Li2Na2B2O5晶體中對雙折射率起主要貢獻的基元是平行排列的B2O5基元，為深紫外雙折射晶體設計提出新的思路。此外，對近百例含B2O5基元硼酸鹽進行統計，分析了B2O5基元中兩個平面BO3三角形的二面角和扭轉角的分布規律。利用頂部籽晶法生長了尺寸為35 × 15 × 5 mm3的Li2Na2B2O5晶體，并系統表征了其物化性能。其具有短的紫外截止邊（181nm），大的雙折射率（0.095@532nm），是一種性能優異的深紫外雙折射晶體。該研究成果以全文的形式發表在《美國化學會志》上（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 3258），并申請了中國發明ZL。

　　該研究工作受到國家自然科學基金項目支持。

(a) Ca(BO2)2雙折射晶體照片及光學性能；(b) Li2Na2B2O5雙折射晶體結構及光學性能