CN104674346B - 化合物一水合碳酸钠非线性光学晶体及其制备方法和用途 - Google Patents

化合物一水合碳酸钠非线性光学晶体及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大尺寸一水合碳酸钠非线性光学晶体及制备方法和用途，该晶体化学分子式为Na2CO3·H2O，属于正交晶系，空间群为Pca21，分子量为124.0037，单胞参数为a=10.700Å，b=5.2394Å，c=6.4574Å，Z=4，采用水溶液法，通过缓慢挥发水份，得到小尺寸晶体，选择质量较好的晶体作为籽晶，通过恒温蒸发或缓慢降温的方法即可得到具有较大尺寸的一水合碳酸钠非线性光学晶体。该晶体非线性光学效应为KDP晶体的2倍，紫外吸收截止边在190 nm以下，在紫外和可见光区有宽的透过范围。该晶体生长过程具有操作简单，成本低，所用药品的毒性小，生长周期短等优点。本发明的非线性光学转换晶体在倍频转换、光参量震荡器等非线性光学器件中可以得到广泛应用。

Description

化合物一水合碳酸钠非线性光学晶体及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种化合物一水合碳酸钠非线性光学晶体及其制备方法和用途，属于无机化学领域，也属于晶体学领域、材料科学领域和光学领域。
背景技术
当激光在具有非零二阶极化率的介质中传播时，会产生倍频、和频、差频、光参量放大等非线性光学效应。利用晶体的二阶非线性光学效应，可以制成二次谐波发生器、频率转换器、光学参量振荡器等非线性光学器件，从而获得有效的激光输出，这在许多领域，如大气监测、国防、激光技术等方面，都有着重要的应用价值。经过几十年探索和研究，非线性光学晶体材料取得了丰硕的成果，尤其是激光频率转换晶体的研究更为深入，许多性能优异的非线性光学晶体已经在光学、通讯、医疗、军事等方面获得广泛应用。然而，紫外固体激光器由于工作介质通常激光寿命较短，而不能实现有效地紫外激光输出。要获得紫外、深紫外激光的输出，最好的方法是通过性能良好的紫外非线性光学晶体实现激光变频。也因此国内外关于紫外、深紫外非线性光学晶体材料的研究一直非常活跃，也取得了长足的发展。
尽管如此，非线性光学晶体的综合性能仍然存在诸多不足，例如频率转换晶体五硼酸钾 (KB5O8·4H2O)，虽然它的透过波段达到真空紫外，但是倍频系数仅为ADP晶体的1/10，应用上受到很大的限制。其后又发现了一系列具有优良性能的紫外非线性光学晶体，如β-偏硼酸钡、硼酸锂、氟硼酸铍钾等。但是这些晶体在生长过程中又有很多不足之处，如易潮解、生长周期长、层状生长习性严重，不易长等缺点。综上所述，寻找和研究新型的、能克服以上缺点的非线性光学晶体材料仍然是当前一个非常重要的工作。
Na2CO3.H2O化合物是一种常见的化合物，自1930起对其就有报道（PABST,A.(1930). Amer.Min.15,69-73.），1936年第一次对其结构进行了报道（HARPER,J.P.(1936).Z. Kristallogr.95,266-273.），其后又对其结构，热稳定性等方面进行了新的研究和报道，而对晶体的线性、非线性性能的测试研究较少，尚未涉及到其在非线性光学性能方面的应用。要测试一种晶体的基本物理性能(包括非线性光学性能)需要该晶体的尺寸达数毫米甚至厘米级的单晶，至今尚未见到有关制备大小足以供物性测试用的Na2CO3·H2O单晶的报道，更无法在市场上购买到该尺寸的晶体，另外也没有关于Na2CO3·H2O单晶非线性光学性能测试结果的完整报告或将Na2CO3·H2O单晶用于制作非线性光学器件的报道。
发明内容
本发明目的在于，提供一种化合物一水合碳酸钠非线性光学晶体及其制备方法和用途，该晶体分子式为Na2CO3·H2O，晶体空间群为Pca21。紫外吸收边较低，透光波段较宽，二阶非线性光学系数较大，能够实现相位匹配，成本较低且容易制备的大尺寸透明的一水合碳酸钠(Na2CO3·H2O)非线性光学晶体；
本发明的目的是为了弥补各类激光器发射激光波长的空白光谱区，从而提供一种具有厘米级大尺寸透明的一水合碳酸钠非线性光学晶体；
本发明的另一目的是提供一种使用水溶液法操作简便的制备大尺寸一水合碳酸钠非线性光学晶体的制备方法；
本发明的又一目的是提供大尺寸一水合碳酸钠非线性光学晶体的性能分析；
本发明的再一目的是提供大尺寸一水合碳酸钠非线性光学晶体的用途。
本发明所述的一种化合物一水合碳酸钠非线性光学晶体，该晶体的分子式为：Na2CO3·H2O，属于正交晶系，空间群为Pca21，分子量为124.0037，单胞参数为 Z=4，透光波段190nm-2650nm。
所述的化合物一水合碳酸钠非线性光学晶体的制备方法，采用水溶液法制备晶体，具体操作按下列步骤进行：
a、将无水碳酸钠溶解在30-250mL去离子水的容器中,然后将不完全溶解的物质在温度 40-75℃下，置于超声波中处理60min，使其充分混合溶解；
b、将步骤a中的溶液取出，静置，在温度40-75℃下观察30min，过滤掉不容物，得到相应温度下的饱和溶液，再用膜封口，并在膜上扎若干个小孔或直接将溶液体系敞口，在反应温度40-75℃，静置20－60天；
c、20-60天后，在容器的底部生长出许多的晶体颗粒，待晶体继续长大，直至晶体大小无明显变化，生长结束，将含有晶体的溶液过滤，得到一水合碳酸钠透明晶体；
d、选择质量较好的晶体作为籽晶，将其悬挂于由无水Na2CO3配制的饱和溶液中，通过 1-5℃/天的降温速率降至室温，或温度40-75℃恒温20-25天，即得到化合物一水合碳酸钠非线性光学晶体。
步骤b将溶液放在干净、无污染、空气无对流的环境中。
所述的化合物一水合碳酸钠非线性光学晶体在制备倍频发生器、上或下频率转换器或光参量振荡器的用途。
所述的一水合碳酸钠非线性光学晶体作为制备上或下频率转换器、倍频发生器或光参量振荡器包含至少一束入射电磁辐射通过至少一块非线性光学晶体后产生至少一束频率不同于入射电磁辐射的输出辐射的装置。
本发明所述的一水合碳酸钠非线性光学晶体，该晶体的分子式为Na2CO3·H2O，在紫外可见区域范围内仍有较高的透过，紫外吸收截止边在190nm以下，非线性光学效应约为KDP的2倍，空间群为Pca21。该晶体制备简单，生长周期短，所使用的起始原料毒性低对人体毒害小。
本发明所用的方法为水溶液法，即将起始原料按照一定比例混合后，在一定温度范围内通过缓慢挥发水份得到晶体后，然后选择质量较好的籽晶悬挂于新配的饱和溶液中通过程序降温或恒温的方法即可得到较大尺寸的透明一水合碳酸钠非线性光学晶体。
制备Na2CO3·H2O化合物的化学反应式：
Na2CO3+H2O→Na2CO3·H2O
本发明中含无水碳酸钠，去离子水可采用市售的试剂及原料，晶体极易长大且透明，具有操作简单，生长速度快，生长周期短，成本低，容易获得大尺寸晶体等优点。相比起BBO、LBO、KTP等晶体，它们的生长周期长达1个月以至数月，而本发明的Na2CO3·H2O晶体生长周期仅需几天。
本发明制备的一水合碳酸钠非线性光学晶体作为制备非线性光学器件，包括制作倍频发生器、上或下频率转换器和光参量振荡器。所述的用一水合碳酸钠非线性光学晶体制作的非线性器件包含将透过至少一束入射基波光产生至少一束频率不同于入射光的相干光。
所述一水合碳酸钠非线性光学晶体对光学加工精度无特殊要求。
附图说明
图1是Na2CO3·H2O的X-射线衍射图谱；
图2为本发明一水合碳酸钠晶体照片图；
图3为本发明制作的非线性光学器件的工作原理图，其中包括(1)为激光器，(2)为全聚透镜，(3)为一水合碳酸钠非线性光学晶体，(4)为分光棱镜，(5)为滤波片，ω为折射光的频率等于入射光频率或是入射光频率的2倍。
具体实施方式：
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
实施例1：
将无水Na2CO3固体溶解在30mL去离子水的容器中溶解，将不完全溶解的物质在温度40℃，超声波处理60min，使其充分混匀溶解；
然后将溶液取出，静置，在温度40℃的环境下，静置观察30min，过滤掉出现的不溶物，得到温度40℃下的饱和溶液，再用保鲜膜封口，然后在膜上扎若干小孔，将溶液放在干净、无污染、空气无对流的环境中，温度40℃，静置60天；
60天后，在容器的底部析出若干较小的晶体，待晶体继续长大，直至晶体大小无明显变化，生长结束，将含有晶体的溶液过滤，得到一水合碳酸钠透明晶体；
选择质量较好的晶体作为籽晶，将其悬挂于无水Na2CO3配制的饱和溶液中，在温度40℃恒温20天，即得到具有较大尺寸7mm×2mm×3mm的一水合碳酸钠晶体。
实施例2：
将无水Na2CO3固体溶解在75mL去离子水的容器中溶解，将不完全溶解的物质在温度 49℃，超声波处理60min，使其充分混匀溶解；
然后将溶液取出，静置在温度49℃的环境下，静置观察30min，过滤掉出现的不溶物，得到温度49℃下的饱和溶液，再用保鲜膜封口，然后在膜上扎若干小孔，将溶液放在干净、无污染、空气无对流的环境中，在温度49℃，静置50天；
50天后，在容器的底部析出若干较小的晶体，待晶体继续长大，直至晶体大小无明显变化，生长结束，将含有晶体的溶液过滤，得到一水合碳酸钠透明晶体；
选择质量较好的晶体作为籽晶，将其悬挂于无水Na2CO3配制的饱和溶液中，在温度49℃恒温25天，即得到具有较大尺寸15mm×2mm×5mm的一水合碳酸钠晶体。
实施例3：
将无水Na2CO3固体溶解在150mL去离子水的容器中溶解，将不完全溶解的物质在温度60℃，超声波处理60min，使其充分混匀溶解；
然后将溶液取出，静置在温度60℃的环境下，静置观察30min，过滤掉出现的不溶物，得到温度60℃下的饱和溶液，再用保鲜膜封口，然后在膜上扎若干小孔，将溶液放在干净、无污染、空气无对流的环境中，在温度60℃，静置30天；
30天后，在容器的底部析出若干较小的晶体，待晶体继续长大，直至晶体大小无明显变化，生长结束，将含有晶体的溶液过滤，得到一水合碳酸钠透明晶体；
选择质量较好的晶体作为籽晶，将其悬挂于无水Na2CO3配制的饱和溶液中，以温度1 ℃/天的速率降至室温，得到具有较大尺寸14mm×10mm×4mm的一水合碳酸钠晶体。
实施例4：
将无水Na2CO3固体溶解在100mL去离子水的容器中溶解，将不完全溶解的物质在温度65℃，超声波处理60min，使其充分混匀溶解；
然后将溶液取出，静置在温度65℃的环境下，静置观察30min，过滤掉出现的不溶物，得到温度65℃下的饱和溶液，直接将溶液体系敞口，将溶液放在干净、无污染、空气无对流的环境中，在反应温度65℃，静置30天；
30天后，在容器的底部析出若干较小的晶体，待晶体继续长大，直至晶体大小无明显变化，生长结束，将含有晶体的溶液过滤，得到一水合碳酸钠透明晶体；
选择质量较好的晶体作为籽晶，将其悬挂于无水Na2CO3配制的饱和溶液中，以温度3 ℃/天的速率降至室温，即得到具有较大尺寸6mm×2mm×5mm的一水合碳酸钠晶体。
实施例5：
将无水Na2CO3固体溶解在75mL去离子水的容器中溶解，将不完全溶解的物质在温度 75℃，超声波处理60min，使其充分混匀溶解；
然后将溶液取出，静置在温度75℃的环境下，静置观察30min，过滤掉出现的不溶物，得到温度75℃下的饱和溶液，再用保鲜膜封口，然后在膜上扎若干小孔，将溶液放在干净、无污染、空气无对流的环境中，在温度75℃，静置20天；
20天后，在容器的底部析出若干较小的晶体，待晶体继续长大，直至晶体大小无明显变化，生长结束，将含有晶体的溶液过滤，得到一水合碳酸钠透明晶体；
选择质量较好的晶体作为籽晶，将其悬挂于无水Na2CO3配制的饱和溶液中，以温度5 ℃/天的速率降至室温，即得到具有较大尺寸15mm×1mm×3mm的一水合碳酸钠晶体。
实施例6：
将实施例1-5中所得到的任意非线性光学晶体，按附图3所示安置在3的位置上，在室温下，用调Q Nd:YAG激光器的1064nm输出作光源，观察到明显的532nm倍频绿光输出，输出强度约为同等条件KDP的2倍；
图3所示为，由调Q Nd:YAG激光器1发出波长为1064nm的红外光束经全聚透镜2 射入一水合碳酸钠非线性光学晶体，产生波长为532nm的绿色倍频光，出射光束4含有波长为1064nm的红外光和532nm的绿光，经滤波片5滤去后得到波长为532nm的倍频光。

Claims (1)

1.一种化合物一水合碳酸钠非线性光学晶体的制备方法，其特征在于该晶体的分子式为：Na2CO3·H2O，属于正交晶系，空间群为Pca21，分子量为124.0037，单胞参数为a=10.700Å，b=5.2394 Å，c=6.4574 Å，Z=4，透光波段190nm-2650nm，采用水溶液法制备晶体，具体操作按下列步骤进行：
a、将无水碳酸钠溶解在30-250 mL去离子水的容器中,然后将不完全溶解的物质在温度40-75℃下，置于超声波中处理60min，使其充分混合溶解；
b、将步骤a中的溶液取出，静置，在温度40-75℃下观察30min，过滤掉不容物，得到相应温度下的饱和溶液，再用膜封口，并在膜上扎若干个小孔或直接将溶液体系敞口，将溶液放在干净、无污染、空气无对流的环境中，在反应温度40-75℃，静置20－60天；
c、20-60天后，在容器的底部生长出许多的晶体颗粒，待晶体继续长大，直至晶体大小无明显变化，生长结束，将含有晶体的溶液过滤，得到一水合碳酸钠透明晶体；
d、选择质量较好的晶体作为籽晶，将其悬挂于由无水Na2CO3配制的饱和溶液中，通过1-5℃/天的降温速率降至室温，或温度40-75℃恒温20-25天，即得到化合物一水合碳酸钠非线性光学晶体。
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