CN105506740A - CsNaMgP2O7化合物、CsNaMgP2O7非线性光学晶体及其制法和用途 - Google Patents

CsNaMgP2O7化合物、CsNaMgP2O7非线性光学晶体及其制法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种CsNaMgP2O7化合物、CsNaMgP2O7非线性光学晶体、CsNaMgP2O7晶体的制备方法和CsNaMgP2O7晶体用于制作非线性光学器件的用途。本发明有如下有益效果：晶体易长大且透明无包裹体，具有生长速度较快、成本低、易于获得较大尺寸晶体等优点；所获得的晶体具有紫外吸收截止边短、非线性光学效应较大、物理化学性能稳定、机械性能好、易于加工等优点；该晶体可用于制作非线性光学器件；本发明非线性光学晶体制作的非线性光学器件可用于若干军事和民用高科技领域中，例如激光致盲武器、光盘记录、激光投影电视、光计算和光纤通讯等。

Description

CsNaMgP2O7化合物、CsNaMgP2O7非线性光学晶体及其制法和用途
技术领域
本发明涉及一种CsNaMgP2O7化合物、CsNaMgP2O7非线性光学晶体、CsNaMgP2O7晶体的制备方法和CsNaMgP2O7晶体用于制作非线性光学器件的用途。
技术背景
晶体的非线性光学效应是指这样一种效应：当一束具有某种偏振方向的激光按一定方向通过一块非线性光学晶体时，该光束的频率将发生变化。具有非线性光学效应的晶体称为非线性光学晶体。利用晶体的非线性光学效应，可以制成二次谐波发生器和上、下频率转换器以及光参量振荡器等非线性光学器件。利用非线性光学晶体进行频率变换的全固态激光器是未来激光器的一个发展方向，而其关键在于获得优秀的非线性光学晶体。
目前，应用于紫外和深紫外波段的非线性光学晶体都是硼酸盐，主要有β-BaB2O4(BBO)、LiB3O5(LBO)、CsLiB6O10(CLBO)和K2Be2BO3F2(KBBF)等，但它们都存在各自的不足之处。例如，LBO和CBO的双折射率都比较小，不能实现1064nm波长激光的四倍频输出；BBO的双折射率偏大，用于1064nm波长激光的四倍频输出时存在光折变效应，限制了其输出功率和光束质量；而CLBO极易潮解，难以实现商业化应用；KBBF则由于其严重的层状生长习性导致其难以获得c向厚度大的晶体。因此，探索综合性能优异的新型紫外非线性光学晶体仍然是迫切而必要的。
尽管目前广泛应用的两种非线性光学晶体KH2PO4(KDP)和KTiOPO4(KTP)是磷酸盐，但是这两种晶体由于透过范围的限制并不适合于紫外和深紫外激光输出。最近，研究者们报道了两种新型磷酸盐非线性光学晶体Ba3P3O10X(X＝Cl,Br)(参见《J.Am.Chem.Soc.》，Vol136,480-487，2014)。这两种晶体紫外吸收截止边达到深紫外区，粉末倍频效应分别约为KDP的0.6和0.5倍，并且在1064nm和532nm处相位匹配。这一研究成果表明磷酸盐作为紫外深紫外非线性光学材料很有希望的。不过遗憾的是，Ba3P3O10X(X＝Cl,Br)的粉末倍频效应比较小，这对其应用不利。因此，本发明人在大量探索的基础上，作出了本发明。所发明的该CsNaMgP2O7晶体具有更大的非线性光学效应。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种化学式为CsNaMgP2O7的化合物。
本发明的目的之一在于提供一种CsNaMgP2O7化合物的制备方法。
本发明的目的之一在于提供一种CsNaMgP2O7非线性光学晶体。
本发明的目的之一在于提供CsNaMgP2O7晶体的制备方法。
本发明的目的之一在于提供CsNaMgP2O7非线性光学晶体的用途。
本发明的技术方案如下。
(1)CsNaMgP2O7化合物，所述的CsNaMgP2O7化合物的化学式为CsNaMgP2O7。
(2)一种CsNaMgP2O7化合物的制备方法，采用固相反应法制备，所述固相反应法包括如下步骤：
将含Cs化合物、含Na化合物、含Mg化合物和含P化合物以化学计量比均匀混合后，以大于0且不大于200℃/小时的速率升温到400-500℃，然后保温烧结24小时以上，接着降至室温后取出研磨均匀，再以大于0且不大于200℃/小时的速率升温到600-800℃烧结24小时以上，中途取出研磨1次以上，即得纯相的CsNaMgP2O7化合物。
以下是几个典型的可以得到CsNaMgP2O7化合物的反应：
(a)Cs2CO3+Na2CO3+2MgO+4NH4H2PO4＝2CsNaMgP2O7+2CO2↑+6H2O↑+4NH3↑
(b)Cs2CO3+2NaHCO3+2MgO+4(NH4)2HPO4＝2CsNaMgP2O7+5H2O↑+3CO2↑+8NH3↑+O2↑
(c)3CsNO3+3NaOH+3MgO+6NH4H2PO4＝3CsNaMgP2O7+18H2O↑+NH3↑+4N2↑。
(3)一种CsNaMgP2O7非线性光学晶体，该晶体不含对称中心，属于正交晶系Cmc21空间群，晶胞参数为 Z＝4。
(4)一种制备CsNaMgP2O7非线性光学晶体的方法，采用熔体法生长所述的CsNaMgP2O7非线性光学晶体。
(5)所述的熔体法包括如下步骤：
在坩埚内放入CsNaMgP2O7化合物原料，接着将盛有CsNaMgP2O7化合物原料的坩埚置于晶体生长炉中，升温到900℃以上，保温12小时以上，然后缓慢降温，在高温熔体表面或熔体中生长晶体；
所述生长晶体的条件为是降温速率：0.2～5℃/天，优选0.2～1℃/天；转速：0～50转/分，优选10～40转/分；旋转方向：单向旋转或双向旋转；待晶体生长到所需尺度后，提升籽晶杆，使晶体脱离液面，以5-50℃/小时的速率降温至室温，即得CsNaMgP2O7非线性光学晶体。
(6)所述含Cs化合物选自碳酸铯(Cs2CO3)或者硝酸铯(CsNO3)；所述含Na化合物选自碳酸钠(Na2CO3)、氢氧化钠(NaOH)或碳酸氢钠(NaHCO3)；所述含Mg化合物选自MgO；所述含P化合物选自NH4H2PO4或(NH4)2HPO4。
(7)采用上述方法可获得尺寸为厘米级的CsNaMgP2O7单晶体；使用大尺寸坩埚，并延长生长期，则可获得相应较大尺寸的晶体。
(8)晶体后处理及光学加工方法如下：晶体生长结束后，提升籽晶杆，使晶体脱离液面，仍将晶体留在炉子中退火，以5-50℃/小时的速率降温至室温，优选降温速率10–30℃/小时；根据晶体的结晶学数据，将晶体毛坯定向，按所需角度、截面尺寸和厚度切割晶体，将晶体通光面抛光，即可作为非线性光学器件使用。
(9)本发明的CsNaMgP2O7非线性光学晶体的用途，包括作为非线性光学器件使用。
优选地，所制备的非线性光学器件包含将至少一束入射电磁辐射通过至少一块CsNaMgP2O7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。
该CsNaMgP2O7非线性光学晶体具有物理化学性能稳定、硬度适中、机械性能好、不易碎裂、易于加工等优点；所以该发明还进一步提供CsNaMgP2O7非线性光学晶体的用途，其为该CsNaMgP2O7非线性光学晶体用于制备非线性光学器件。
本发明的CsNaMgP2O7化合物、该化合物的非线性光学晶体及其制备方法和用途有如下有益效果：
(1)在该CsNaMgP2O7非线性光学晶体的生长中晶体易长大且透明无包裹体，具有生长速度较快、成本低、易于获得较大尺寸晶体等优点；
(2)所获得的CsNaMgP2O7非线性光学晶体具有较短的紫外吸收截止边、较大的非线性光学效应、物理化学性能稳定、机械性能好、易于加工等优点；
(3)该CsNaMgP2O7非线性光学晶体可用于制作非线性光学器件；
(4)本发明非线性光学晶体制作的非线性光学器件可用于若干军事和民用高科技领域中，例如激光致盲武器、光盘记录、激光投影电视、光计算和光纤通讯等。
附图说明
图1是用CsNaMgP2O7晶体制成的一种典型的非线性光学器件的工作原理图，其中1是激光器，2是入射激光束，3是经晶体后处理和光学加工的CsNaMgP2O7晶体，4是所产生的激光束，5是滤光片。
图2为本发明的CsNaMgP2O7多晶粉末X射线衍射图谱与基于CsNaMgP2O7晶体结构模拟的X射线衍射图谱。
图3为本发明的CsNaMgP2O7晶体结构图。
图4是采用实施例4的方法制备的CsNaMgP2O7非线性光学晶体的图片。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步描述本发明。本领域技术人员知晓，下述实施例不是对本发明保护范围的限制，任何在本发明基础上做出的改进和变化都在本发明的保护范围之内。
实施例1-3是关于粉末状CsNaMgP2O7化合物的制备。
实施例1
采用固相反应法，反应方程式如下：
(a)Cs2CO3+Na2CO3+2MgO+4NH4H2PO4＝2CsNaMgP2O7+4CO2↑+6H2O↑+4NH3↑
上述三种试剂投料量：Cs2CO316.29克(0.05mol)、Na2CO35.30克(0.05mol)、MgO4.03克(0.1mol)、NH4H2PO423.01克(0.2mol)。
具体操作步骤是：按上述剂量分别称取试剂，将它们放入研钵中，混合并研磨均匀，然后装入刚玉陶瓷坩埚中，将其压实，放入马弗炉中，以20℃/小时的速率升温到400℃，然后保温烧结24小时，接着降至室温后取出研磨均匀，再以200℃/小时的速率升温到600℃烧结24小时，中途取出研磨2次，即得纯相的CsNaMgP2O7化合物。
如图2所示，试验所得的粉末X射线衍射图谱与根据其单晶结构拟合所得的图谱一致。
实施例2
制备粉末状CsNaMgP2O7化合物
采用固相反应法，反应方程式如下：
(b)Cs2CO3+2NaHCO3+2MgO+4(NH4)2HPO4＝2CsNaMgP2O7+5H2O↑+3CO2↑+8NH3↑+O2↑
上述三种试剂投料量：Cs2CO33.26克(0.01mol)、NaHCO31.68克(0.02mol)、MgO0.81克(0.02mol)、(NH4)2HPO45.28克(0.04mol)。
具体操作步骤是：按上述剂量分别称取试剂，将它们放入研钵中，混合并研磨均匀，然后装入刚玉陶瓷坩埚中，将其压实，放入马弗炉中，以200℃/小时的速率升温到500℃，然后保温烧结24小时以上，接着降至室温后取出研磨均匀，再以100℃/小时的速率升温到800℃烧结48小时，中途取出研磨2次，即得纯相的CsNaMgP2O7化合物。
实施例3
制备粉末状CsNaMgP2O7化合物
采用固相反应法，反应方程式如下：
(c)3CsNO3+3NaOH+3MgO+6NH4H2PO4＝3CsNaMgP2O7+18H2O↑+NH3↑+4N2↑。
上述三种试剂投料量：CsNO316.29克(0.05mol)、NaOH2.00克(0.05mol)、MgO2.02克(0.05mol)、NH4H2PO411.50克(0.1mol)。
具体操作步骤是：按上述剂量分别称取试剂，将它们放入研钵中，混合并研磨均匀，然后装入刚玉陶瓷坩埚中，将其压实，放入马弗炉中，以50℃/小时的速率升温到450℃，然后保温烧结72小时，接着降至室温后取出研磨均匀，再以50℃/小时的速率升温到750℃烧结72小时，中途取出研磨4次，即得纯相的CsNaMgP2O7化合物。
实施例4-6是制备CsNaMgP2O7晶体
实施例4
熔体法包括如下步骤：
在室温下，在坩埚内放入按照化学计量比配置并预处理的化合物原料，然后将盛有物料的坩埚置于晶体生长炉中，以20℃/小时的升温速率升温到900℃，保温24小时，然后缓慢速降温，在以下生长条件下从高温熔体表面或熔体中生长晶体；
所述生长晶体的条件为是降温速率：0.2℃/天，转速：10转/分；旋转方向：单向旋转；
待晶体生长到所需尺度后，提升籽晶杆，使晶体脱离液面，以10℃/小时的速率降温至室温，即得CsNaMgP2O7非线性光学晶体。
实施例5
在室温下，在坩埚内放入按照化学计量比配置并预处理的化合物原料，然后将盛有物料的坩埚置于晶体生长炉中，以50℃/小时的升温速率升温到1000℃，保温36小时，然后缓慢降温，在以下生长条件下从高温熔体表面或熔体中生长晶体；
所述生长晶体的条件为是降温速率：3℃/天；转速：50转/分，旋转方向：双向旋转；
待晶体生长到所需尺度后，提升籽晶杆，使晶体脱离液面，以30℃/小时的速率降温至室温，即得CsNaMgP2O7非线性光学晶体。
实施例6
在室温下，在坩埚内放入按照化学计量比配置并预处理的化合物原料，然后将盛有物料的坩埚置于晶体生长炉中，以20-50℃/小时的升温速率升温到950℃，保温24小时，然后缓慢降温，在以下生长条件下从高温熔体表面或熔体中生长晶体；
所述生长晶体的条件为是降温速率：1℃/天；转速：40转/分；旋转方向：单向旋转；
待晶体生长到所需尺度后，提升籽晶杆，使晶体脱离液面，以30℃/小时的速率降温至室温，即得CsNaMgP2O7非线性光学晶体。
经测试，实施例4-6所制备的CsNaMgP2O7非线性光学晶体属于正交晶系Cmc21空间群，晶胞参数为 Z＝2；具有倍频效应；图3是该CsNaMgP2O7非线性光学晶体的结构示意图。其中图4是采用实施例4的方法生长的晶体。
实施例7
将实施例4所得的CsNaMgP2O7非线性光学晶体作透过光谱测试，该晶体的紫外吸收截止边低于190nm，并且在190–900nm波长范围内透过；该晶体不易碎裂，易于切割和抛光加工；将实施例6所得的CsNaMgP2O7非线性光学晶体，放在附图1所示装置标号为3的位置处，在室温下，用调QNd:YAG激光器作基频光源，入射波长为1064nm的近红外光，输出波长为532nm的绿色激光，激光强度约相当于KDP的1.1倍。
附图1为对本发明采用CsNaMgP2O7晶体制作的非线性光学器件的简单说明。由激光器1发出光束2射入CsNaMgP2O7晶体3，所产生的出射光束4通过滤波片5，从而获得所需要的激光束。该非线性光学激光器可以是倍频发生器或上、下频率转换器或光参量振荡器等。
上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局限于上述实施例，本领域技术人员应该明白，凡是依据上述原理及精神在本发明基础上的改进、替代，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.CsNaMgP2O7化合物，其特征在于：所述的CsNaMgP2O7化合物的化学式为CsNaMgP2O7。
2.根据权利要求1所述的CsNaMgP2O7化合物的制备方法，其特征在于：采用固相反应法制备所述的CsNaMgP2O7化合物，所述的固相反应法包括如下步骤：
将含Cs化合物、含Na化合物、含Mg化合物和含P化合物以化学计量比均匀混合后，以10-200℃/小时的速率升温到400-500℃，然后保温烧结24小时以上，降至室温后取出研磨均匀，再以大于10-200℃/小时的速率升温到600-800℃烧结24小时以上，中途取出研磨1次以上，即得纯相的CsNaMgP2O7化合物。
3.根据权利要求2所述的CsNaMgP2O7化合物的制备方法，其特征在于：所述含Cs化合物为Cs2CO3或者CsNO3；所述含Na化合物为Na2CO3、NaOH或NaHCO3；所述含Mg化合物为MgO；所述含P化合物为NH4H2PO4或(NH4)2HPO4。
4.CsNaMgP2O7非线性光学晶体，其特征在于：所述的CsNaMgP2O7非线性光学晶体不含对称中心，属于正交晶系Cmc21空间群，晶胞参数为 Z＝4。
5.根据权利要求4所述的CsNaMgP2O7非线性光学晶体的制备方法：采用熔体法生长所述的CsNaMgP2O7非线性光学晶体，所述的熔体法包括如下步骤：
在坩埚内放入CsNaMgP2O7化合物原料，接着将盛有CsNaMgP2O7化合物原料的坩埚置于晶体生长炉中，升温到900℃以上，保温12小时以上，然后缓慢降温，在高温熔体表面或熔体中生长晶体；
待晶体生长到所需尺度后，提升籽晶杆，使晶体脱离液面，以5-50℃/小时的速率降温至室温，即得CsNaMgP2O7非线性光学晶体。
6.根据权利要求5所述的CsNaMgP2O7非线性光学晶体的制备方法：所述的从高温熔体表面或熔体中生长晶体的生长条件是：降温速率为0.2～5℃/天；籽晶杆转速为0～50转/分；籽晶杆旋转方向为单向旋转或双向旋转。
7.根据权利要求5所述的CsNaMgP2O7非线性光学晶体的制备方法：所述的从高温熔体表面或熔体中生长晶体的生长条件是：降温速率为0.2～1℃/天；籽晶杆转速为10～40转/分；旋转方向为单向旋转或双向旋转。
8.CsNaMgP2O7非线性光学晶体的用途，其特征在于，所述的CsNaMgP2O7非线性光学晶体可作为非线性光学器件使用。
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