CN105621361B - 化合物氯酸铅和氯酸铅红外非线性光学晶体及制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化合物氯酸铅和氯酸铅红外非线性光学晶体及制备方法和用途,该化合物的化学式为Pb2.14OCl2.28,分子量545.802,采用固相反应法制成,该化合物晶体的化学式为Pb2.14OCl2.28,分子量545.802,不具有对称中心,属正交晶系,空间群Fmm2,晶胞参数为a=5.829(3) Å,b=16.056(6) Å,c=35.528(15) Å,采用化合物熔体法生长晶体或加入助溶剂生长晶体,通过本发明所获得的晶体材料具有较强的能相位匹配的倍频效应(SHG),Kurtz粉末倍频测试结果表明其粉末倍频效应为磷酸二氢钾(KDP)的4倍,能够实现相位匹配,透过波段为0.34‑7μm;激光损伤阈值是目前的商用的红外非线性光学晶体材AgGaS2的激光损伤阈值的10倍;不含结晶水,对空气稳定,且热稳定性较好。在激光频率转换、电光调制、光折变信息处理等领域有重要应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种化合物氯酸铅和氯酸铅红外非线性光学晶体及制备方法和用途,该化合物的化学式为Pb2.14OCl2.28。
背景技术
非线性光学效应起源于激光与介质的相互作用。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,在许多领域,如激光技术、大气监测、国防军事等方面,都有着重要的应用价值。无机非线性光学材料在二阶非线性光学材料的实用化研究中居主导地位。依据透光波段和适用范围,无机非线性光学晶体材料可分为紫外光区非线性光学材料、可见光区非线性光学材料和红外光区非线性光学材料。目前已投入实用的紫外及可见光区的无机非线性光学材料有BBO(β-偏硼酸钡)、LBO(硼酸锂)、KDP(磷酸二氢钾)、KTP(磷酸钛氧钾)等,基本可以满足大多数实用的要求。但对于红外非线性光学材料来讲,离实用还有差距。原因在于现有的红外非线性光学材料,如AgGaS2、AgGaSe2等,虽然具有很大的二阶非线性光学系数,在红外光区也有很宽的透过范围,但合成条件苛刻,不容易长成大的光学质量高的单晶,特别是损伤阈值较低,因而不能满足非线性光学晶体材料的实用化要求。而实现红外激光的频率转换又在国民经济、国防等领域有着重要的价值。在2003年科学出版社出版的《非线性光学晶体材料科学》一书中,明确提出“在整个非线性光学的光谱波段内,红外波段的非线性光学晶体是一个薄弱环节,因此,对此波段的新型频率转换晶体的研究有待加强”。因此探索发现能够同时具备高的激光损伤阈值与大的非线性光学系数的新型高效红外非线性光学晶体材料是该领域的一个难点和热点。
发明内容
本发明目的在于提供一种化合物氯酸铅,其特征在于该化合物的化学式为Pb2.14OCl2.28,分子量545.802,采用固相反应法合成化合物。
本发明另一目的在于提供一种氯酸铅红外非线性光学晶体,其特征在于该晶体的化学式为Pb2.14OCl2.28,分子量545.802,不具有对称中心,属正交晶系,空间群Fmm2,晶胞参数为
本发明再一个目的在于,提供一种氯酸铅和氯酸铅红外非线性光学晶体的制备方法。
本发明又一个目的是提供一种氯酸铅红外非线性光学器件的用途,用于制备倍频发生器、上或下频率转换器或光参量振荡器,在激光频率转换、电光调制、光折变信息处理等高科技领域有着重要应用价值。
本发明所述的一种化合物氯酸铅,其特征在于该化合物的化学式为Pb2.14OCl2.28,分子量545.802,采用固相反应法合成化合物,其中该化合物的组分是由摩尔比1.14∶1的氯化铅和氧化铅或碳酸铅、硝酸铅、醋酸铅、草酸铅制成。
一种氯酸铅红外非线性光学晶体,该晶体的化学式为Pb2.14OCl2.28,分子量545.802,不具有对称中心,属正交晶系,空间群Fmm2,晶胞参数为
所述的化合物硼酸铅非线性光学晶体的制备方法,采用固相反应法合成化合物,再采用化合物熔体法生长晶体或加入助溶剂生长晶体,具体操作按下列步骤进行:
a、将氯酸铅化合物在坩埚中加热到熔化,加热至温度350-650℃,恒温5-80小时,得到氯酸铅的混合熔体;
或将氯酸铅化合物中直接加入助熔剂,加热至温度350-650℃,恒温5-80小时,得到含氯酸铅与助熔剂的混合熔液,其中氯酸铅化合物与助熔剂的摩尔比为1:0.1-2;
b、制备氯酸铅籽晶:将步骤a得到的混合熔体或混合熔液以温度0.5-10℃/h的速率缓慢降至室温,自发结晶获得氯酸铅籽晶;
c、将盛有步骤a制得的混合熔体或混合熔液的坩埚置入晶体生长炉中,将步骤b得到的籽晶固定于籽晶杆上,从晶体生长炉顶部下籽晶,先预热籽晶5-60分钟,将籽晶下至接触混合熔液液面或混合熔液体中进行回熔,恒温时间5-60分钟,以温度1-60℃/h的速率再降温至温度350-480℃;
d、再以温度0.1-5℃/天的速率缓慢降温,以0-60rpm转速旋转籽晶杆进行晶体的生长,待单晶生长到所需尺度后,将晶体提离混合熔液表面,并以温度1-80℃/h速率降至室温,然后将晶体从炉膛中取出,即可得到氯酸铅红外非线性光学晶体。
步骤a所述助熔剂为PbCl2或PbO。
步骤b所述化合物熔体法生长晶体包括提拉法、泡生法或坩埚移动法。
所述的硼酸铅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中的用途。
本发明所述的化合物氯酸铅和氯酸铅红外非线性光学晶体及制备方法和用途中的中红外非线性光学晶体材料粉末的倍频效应为磷酸二氢钾(KDP)的4倍;可实现相位匹配;全透过范围是0.34-7μm;热失重温度为500℃。
所述的氯酸铅红外非线性光学晶体,用于制备倍频发生器、上或下频率转换器或光参量振荡器,预期在激光频率转换、电光调制、光折变信息处理等高科技领域有着重要应用价值。
本发明提供的氯酸铅化合物,化学式为Pb2.14OCl2.28,采用固相反应法按下列化学反应式制备氯酸铅化合物:
(1)1.14PbCl2+PbO→Pb2.14OCl2.28;
(2)1.14PbCl2+Pb(NO3)2→Pb2.14OCl2.28+NO2↑;
(3)1.14PbCl2+Pb(CO3)2→Pb2.14OCl2.28+CO2↑;
(4)1.14PbCl2+Pb(CH3COO)2→Pb2.14OCl2.28+CO2↑+H2O;
(5)1.14PbCl2+PbC204→Pb2.14OCl2.28+CO2↑+CO↑。
本发明与背景技术相比,本发明制得的无机红外非线性光学晶体材料具有以下优点:
(1)、具有较强的能相位匹配的倍频效应(SHG),Kurtz粉末倍频测试结果表明其粉末倍频效应为磷酸二氢钾(KDP)的4倍,透过波段为0.34-7μm;
(2)、激光损伤阈值是目前的商用的红外非线性光学晶体材AgGaS2的激光损伤阈值的10倍;
(3)、可在开放体系中生长大尺寸单晶,制备方法简单、反应时间短、实验条件温和、产品纯度高;
(4)、不含结晶水,对空气稳定,且热稳定性较好。
附图说明
图1为本发明Pb2.14OCl2.28粉末的X-射线衍射图;
图2为生长的本发明Pb2.14OCl2.28单晶图;
图3为本发明Pb2.14OCl2.28晶体制作的非线性光学器件的工作原理图,其中I为激光器,2为发出光束,3为Pb2.14OCl2.28晶体,4为出射光束,5为滤波片。
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(采用熔体法)
合成氯酸铅(Pb2.14OCl2.28)化合物:
采用固相反应法,按化学方程式:1.14PbCl2+PbO→Pb2.14OCl2.28合成氯酸铅化合物:
将PbCl2、PbO以化学计量比1.14∶1放入研钵中,混合并仔细研磨,然后装入Φ400mm×400mm的开口刚玉坩埚中,将其压紧,放入马弗炉中,缓慢升温至300℃,恒温24小时,待冷却后取出坩埚,此时样品较疏松,接着取出样品重新研磨均匀,再置于坩埚中,在马弗炉内于温度430℃再恒温48小时,取出,放入研钵中捣碎研磨即得氯酸铅化合物,对该产物进行X射线分析,所得X射线谱图与Pb2.14OCl2.28单晶研磨成粉末后的X射线谱图是一致的;
在熔体中采用提拉法生长Pb2.14OCl2.28晶体:
a、将合成的Pb2.14OCl2.28化合物装入Φ100mm×100mm的开口铂金坩埚中,加热至温度600℃,恒温80小时后,得到氯酸铅的混合熔体;
b、制备硼酸铅籽晶:将步骤a得到的混合熔体以温度10℃/h的速率缓慢降至室温,自发结晶获得氯酸铅籽晶;
c、将盛有步骤a制得的混合熔体的坩埚置入晶体生长炉中,将步骤b得到的籽晶固定于籽晶杆上,从晶体生长炉顶部下籽晶,先预热籽晶5分钟,将籽晶下至接触混合熔液液面中进行回熔,恒温时间5分钟,以温度10℃/h的速率在降温至温度505℃;
d、再以温度1℃/天的速率缓慢降温,以50rpm转速旋转籽晶杆进行晶体的生长,提拉速度为15mm/h,结束生长时加大提拉速度,使晶体脱离熔体液面,以温度80℃/h的速率降至室温,然后缓慢地从炉膛中取出晶体,即可获得尺寸为15mm×13mm×4mm的Pb2.14OCl2.28晶体。
按实施例1所述方法,按反应式1.14PbCl2+Pb(NO3)2→Pb2.14OCl2.28+NO2↑合成Pb2.14OCl2.28化合物,亦可获得Pb2.14OCl2.28晶体。
实施例2
按反应式1.14PbCl2+Pb(CO3)2→Pb2.14OCl2.28+CO2↑合成Pb2.14OCl2.28化合物,具体操作步骤依据实施例1进行;
采用提拉法制备Pb2.14OCl2.28晶体:
a、将合成的Pb2.14OCl2.28化合物放入Φ100mm×100mm的开口铂金坩埚中,加热至温度600℃,恒温5小时,得到氯酸铅的混合熔体;
b、制备氯酸铅籽晶:将步骤a得到的混合熔体或混合熔液以温度0.5℃/h的速率缓慢降至室温,自发结晶获得氯酸铅籽晶;
c、将盛有步骤a制得的混合熔体的坩埚置入晶体生长炉中,将步骤b得到的籽晶沿c轴切割的Pb2.14OCl2.28籽晶用铂金丝固定在籽晶杆下端,从炉顶部小孔将籽晶导入坩埚,先预热籽晶5分钟,将籽晶下至接触混合熔液液面进行回熔,恒温时间5分钟,以温度10℃/h的速率在降温至温度505℃;
d、再以温度0.1℃/天的速率缓慢降温,以20rpm转速旋转籽晶杆进行晶体的生长,提拉速度为0.lmm/h,结束生长时加大提拉速度,使晶体脱离熔体液面,以温度40℃/h的速率降至室温,然后缓慢地从炉膛中取出晶体,即可获得尺寸为23mm×18mm×8mm的Pb2.14OCl2.28晶体。
按实施例2所述方法,反应式1.14PbCl2+Pb(CH3COO)2→Pb2.14OCl2.28+CO2↑+H2O合成Pb2.14OCl2.28化合物,亦可获得Pb2.14OCl2.28晶体。
实施例3(采用熔体法)
按反应式1.14PbCl2+PbC204→Pb2.14OCl2.28+CO2↑+CO↑合成Pb2.14OCl2.28化合物,具体操作步骤依据实施例1进行;
采用泡生法制备Pb2.14OCl2.28晶体:
a、将合成的Pb2.14OCl2.28化合物放入Φ100mm×100mm的开口铂金坩埚中加热到熔化,加热至温度600℃,恒温25小时,得到氯酸铅的混合熔体;
b、制备氯酸铅籽晶:将步骤a得到的混合熔体以温度2℃/h的速率缓慢降至室温,自发结晶获得氯酸铅籽晶;
c、将盛有步骤a制得的混合熔体的坩埚置入晶体生长炉中,将步骤b得到的籽晶沿c轴切割的Pb2.14OCl2.28籽晶用铂金丝固定在籽晶杆下端,从炉顶部小孔将籽晶导入坩埚,先预热籽晶15分钟,使籽晶与熔体液面接触,进行回熔,恒温时间15分钟,以温度5℃/h的速率在降温至温度505℃;
d、再以温度2℃/天的速率缓慢降温,以30rpm转速旋转籽晶杆进行晶体的生长,待单晶生长到所需尺度后,将晶体提离混合熔液表面,并以温度20℃/h速率降至室温,然后将晶体从炉膛中取出,即可获得尺寸为21mm×17mm×10mm的Pb2.14OCl2.28晶体。
实施例4(采用高温溶液法)
按反应式1.14PbCl2+PbC204→Pb2.14OCl2.28+CO2↑+CO↑合成Pb2.14OCl2.28化合物,具体操作步骤依据实施例1进行;
采用高温溶液法制备Pb2.14OCl2.28晶体:
a、将合成的Pb2.14OCl2.28化合物与助熔剂PbCl2按摩尔比Pb2.14OCl2.28∶PbCl2=1∶0.3进行混配,装入Φ100mm×100mm的开口铂金坩埚中,加热到熔化,加热至温度600℃,恒温60小时,得到含氯酸铅与助熔剂的混合熔液;
b、制备硼酸铅籽晶:将步骤a得到的混合熔液以温度7℃/h的速率缓慢降至室温,自发结晶获得氯酸铅籽晶;
c、将盛有步骤a制得的混合熔液的坩埚置入晶体生长炉中,将步骤b得到的籽晶沿c轴切割的Pb2.14OCl2.28籽晶用铂金丝固定在籽晶杆下端,从炉顶部小孔将籽晶导入坩埚,先预热籽晶50分钟,浸入液面下进行回熔,恒温时间50分钟,以温度40℃/h的速率在降温至温度475℃;
d、再以温度0.5℃/天的速率缓慢降温,以60rpm转速旋转籽晶杆进行晶体的生长,待单晶生长到所需尺度后,将晶体提离混合熔液表面,并以温度60℃/h速率降至室温,然后将晶体从炉膛中取出,即可获得尺寸为18mm×12mm×6mm的透明Pb2.14OCl2.28晶体。按实施例4所述方法,反应式1.14PbCl2+Pb(CH3COO)2→Pb2.14OCl2.28+CO2↑+H2O合成Pb2.14OCl2.28化合物,亦可获得Pb2.14OCl2.28晶体。
实施例5(采用高温溶液法)
按反应式1.14PbCl2+PbC204→Pb2.14OCl2.28+CO2↑+CO↑合成Pb2.14OCl2.28化合物,具体操作步骤依据实施例1进行;
采用高温溶液法制备Pb2.14OCl2.28晶体:
a、将合成的Pb2.14OCl2.28化合物与助熔剂PbCl2按摩尔比Pb2.14OCl2.28∶PbO=1∶1进行混配,装入Φ100mm×100mm的开口铂金坩埚中,加热到熔化,加热至温度600℃,恒温20小时,得到含氯酸铅与助熔剂的混合熔液;
b、制备硼酸铅籽晶:将步骤a得到的混合熔液以温度3℃/h的速率缓慢降至室温,自发结晶获得氯酸铅籽晶;
c、将盛有步骤a制得的混合熔液的坩埚置入晶体生长炉中,将步骤b得到的籽晶沿c轴切割的Pb2.14OCl2.28籽晶用铂金丝固定在籽晶杆下端,从炉顶部小孔将籽晶导入坩埚,先预热籽晶30分钟,浸入液面下进行回熔,恒温时间20分钟,以温度20℃/h的速率在降温至温度450℃;
d、再以温度0.5℃/天的速率缓慢降温,以15rpm转速旋转籽晶杆进行晶体的生长,待单晶生长到所需尺度后,将晶体提离混合熔液表面,并以温度30℃/h速率降至室温,然后将晶体从炉膛中取出,即可获得尺寸为25mm×21mm×7mm的透明Pb2.14OCl2.28晶体。
实施例6
将实施例1-5所得任意的Pb2.14OCl2.28晶体按相匹配方向加工一块5mm×5mm×5mm的倍频器件,按附图3所示安置在3的位置上,在室温下,用调Q Nd:YAG激光器作光源,入射波长为1064nm,由调Q Nd:YAG激光器1发出波长为1064nm的红外光束2射入Pb2.14OCl2.28单晶3,产生波长为532nm的绿色倍频光,输出强度为同等条件KDP的4倍,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的绿色激光。
Claims (4)
1.一种化合物氯酸铅非线性光学晶体的制备方法,其特征在于采用固相反应法合成化合物,再采用化合物熔体法生长晶体或加入助溶剂生长晶体,该晶体的化学式为Pb2.14OCl2.28,分子量545.802,不具有对称中心,属正交晶系,空间群Fmm2,晶胞参数为a =5.829(3) Å,b = 16.056(6) Å ,c = 35.528(15) Å,具体操作按下列步骤进行:
a、将氯酸铅化合物在坩埚中加热到熔化,加热至温度350-650℃,恒温5-80小时,得到氯酸铅的熔体;
或将氯酸铅化合物中直接加入助熔剂,加热至温度350-650℃,恒温5-80小时,得到含氯酸铅与助熔剂的混合熔液,其中氯酸铅化合物与助熔剂的摩尔比为1:0.1-2;
b、制备氯酸铅籽晶:将步骤a得到的熔体或混合熔液以温度0.5-10℃/h的速率缓慢降至室温,自发结晶获得氯酸铅籽晶;
c、将盛有步骤a制得的熔体或混合熔液的坩埚置入晶体生长炉中,将步骤b得到的籽晶固定于籽晶杆上,从晶体生长炉顶部下籽晶,先预热籽晶5-60分钟,将籽晶下至接触混合熔液液面或熔体中进行回熔,恒温时间5-60分钟,以温度1-60℃ /h的速率再降温至温度350-480℃;
d、再以温度0.1-5℃/天的速率缓慢降温,以0-60rpm转速旋转籽晶杆进行晶体的生长,待单晶生长到所需尺度后,将晶体提离熔体或混合熔液表面,并以温度1-80℃ /h速率降至室温,然后将晶体从炉膛中取出,即可得到氯酸铅红外非线性光学晶体。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于步骤a所述助熔剂为PbCl2或PbO。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于化合物熔体法生长晶体包括提拉法、泡生法或坩埚移动法。
4.如权利要求1所述方法获得的氯酸铅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中的用途。
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Structure and Mechanism of the Ionic Conductivity of the Nonstoichiometric Compound Pb2+xOCl2+2x;O.I.Siidra et al.;;《Physical Chemistry》;20071231;第414卷(第4期);501–504页 * |
Structure and Mechanism of the Ionic Conductivity of the Nonstoichiometric Compound Pb2+xOCl2+2x;STN;《STN》;20080801;第1页 * |
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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