專利名稱：新型非線性光學(xué)晶體鈮磷酸鎂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新型的光電功能材料，尤其是涉及一種全新的非線性光學(xué)晶體鈮磷酸鎂(分子式為Mg2Nb4P2O17，簡稱為MNP)。所謂晶體的非線性效應(yīng)是指這樣一種效應(yīng)當(dāng)一種激光按一定的偏振方向和入射方向通過一塊非線性光學(xué)晶體(如MNP)時(shí)，該激光束的頻率將發(fā)生變化。
圖1示出這一效應(yīng)的典型示意圖。
目前，在可見光非線性材料領(lǐng)域有兩個(gè)比較突出的晶體，磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4，簡稱KTP)、鈮酸鋰(LiNbO3，簡稱LN)。磷酸鈦氧鉀(I.Tordjman et al，Zeit.fur.Krist.139(1974)103)的非線性效應(yīng)來源于畸變的TiO6基團(tuán)，它突出的優(yōu)點(diǎn)是非線性光學(xué)系數(shù)大，比磷酸二氫鉀(KH2PO4，簡稱KDP)高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，抗光能力與KDP相當(dāng)，倍頻效率高，硬度大，不潮解。但它的非線性光學(xué)系數(shù)還不夠很大，比本發(fā)明鈮磷酸鎂的非線性光學(xué)系數(shù)稍微小一些。鈮酸鋰(G.D.Boyd，R.C.Miller，K.Nassau，W.L.Bond and A.Sarage，Appl.Phys.Lett.，4，234(1964))的非線性光學(xué)系數(shù)雖大，但是它易于光損傷。本發(fā)明MNP，其晶體由NbO6基團(tuán)和PO4基團(tuán)連接而成，一方面它的分子式內(nèi)的畸變基團(tuán)NbO6密度比較高，另一方面由于其結(jié)構(gòu)類似于磷酸鈦氧鉀，晶體由NbO6基團(tuán)和PO4基團(tuán)連接而成，因此它又有較高的抗光損傷能力，所以鈮磷酸鎂MNP性質(zhì)較好。
本發(fā)明的目的就在于研制一種新的光學(xué)晶體，它能克服磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4，簡稱KTP)、鈮酸鋰(LiNbO3，簡稱LN)兩種晶體所存在的上述缺點(diǎn)。
MNP化合物是通過下列固相反應(yīng)合成的
具體合成工藝見實(shí)施例1。
在用固相反應(yīng)合成出MNP多晶樣品后，經(jīng)過粉末倍頻效應(yīng)測(cè)量，確認(rèn)此化合物具有1至2倍的KTP的粉末倍頻效應(yīng)。我們選擇熔鹽法進(jìn)行晶體生長，采用KF、PbF2作助熔劑，鉑坩鍋?zhàn)魅萜?，用電阻爐加熱，用DWK-702單機(jī)控溫，已成功地生長出MNP單晶。
經(jīng)過單晶結(jié)構(gòu)的測(cè)量，這種新化合物的空間群為S42，體積為931(埃)單胞參數(shù)a＝15.60(埃)，c＝3.827(埃)，c/a＝0.244，硬度為7Morse(硬度單位)，熔點(diǎn)高于1300℃，在空氣中不潮解，并有良好的機(jī)械性能。
由于MNP的發(fā)明，對(duì)鈮酸鋰(LiNbO3)而言，它克服了鈮酸鋰易于光折變的缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于磷酸鈦氧鉀而言，MNP有較好的非線性光學(xué)系數(shù)，單位體積內(nèi)能產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)的基團(tuán)數(shù)目比磷酸鈦氧鉀多一倍，所以MNP晶體的倍頻系數(shù)比磷酸鈦氧鉀大?？梢灶A(yù)測(cè)，MNP將部分取代鈮酸鋰、磷酸鈦氧鉀而在各種非線性光學(xué)領(lǐng)域(如電光器件、熱釋電器件、諧波發(fā)生器件、光參量和光放大器件、光波導(dǎo)器件等)中獲得廣泛的應(yīng)用。
現(xiàn)對(duì)


如下圖1是MNP晶體作為倍頻晶體應(yīng)用時(shí)非線性光學(xué)效應(yīng)的典型示意圖，其中①是激光器，②、③是反光鏡，④是半波長片，⑤⑥是透鏡組，⑦是非線性光學(xué)晶體MNP，a、c是晶體結(jié)晶軸，θ是位相匹配角。③是色散棱鏡，ω和2ω分別是基波和諧波的光頻。
圖2、3是的X射線衍射譜圖，其中圖2是固相合成MNP粉末樣品的衍射圖，圖3是MNP單晶體研磨成粉末后的衍射圖。
最后，我們舉出三個(gè)實(shí)施該發(fā)明的典型方式實(shí)施例1，關(guān)于化合物MNP的合成，我們采用固態(tài)合成方法在高溫下燒結(jié)而成，其化學(xué)反應(yīng)方程式為
用的化學(xué)試劑其純度及生產(chǎn)廠家是Mg(OH)2·(MgCO3)4·5H2O(上海試劑總廠第二分廠)Ar含量≥99.0％Nb2O5(上海試劑總廠第二分廠)Ar含量≥99.0％NH4H2PO4(上海試劑總廠第二分廠)Ar含量≥99.0％這三種試劑的投料量為Mg(OH)2·(MgCO3)4·5H2O48.58克(0.1mole)Nb2O5132.91克(0.5mole)NH4H2PO457.52克(0.5mole)具體的操作步驟是，按1∶1∶1的摩爾比準(zhǔn)確稱取將它們放入研缽中混合并仔細(xì)研磨，然后將研磨好的混合料裝入的坩鍋中并用藥勺將其壓緊加蓋，放進(jìn)馬福爐緩慢加熱至950℃，灼燒兩天，待冷確后取出坩鍋，此時(shí)樣品較疏松。接著取出樣品重新研磨均勻，再置于坩鍋中，在馬福爐緩慢加熱至950℃，又灼燒兩天，此時(shí)，將其取出，并放入研缽研磨即得產(chǎn)品。對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行X射線衍射分析，所得譜圖與MNP單晶研磨成粉末后的X射線衍射圖(圖2)是一致的。
實(shí)施例2，關(guān)于MNP的單晶生長采用熔鹽法，用自制的電阻爐，用DWK-702單機(jī)進(jìn)行控溫，具體操作是選用分析純KF作助熔劑，與MNP化合物(實(shí)施例1所得的產(chǎn)物)按如下的克分子比例進(jìn)行配制，KF∶MNP＝0.55∶0.45，然后用Φ30×30mm的鉑坩鍋?zhàn)魅萜?，置于自制生長爐內(nèi)，升溫至1000℃讓原料熔化，待恒溫約1小時(shí)后再按每日10℃的速率降溫至800℃即得MNP晶體，其尺寸為3×2×1mm3。
實(shí)施例3，關(guān)于MNP單晶作為倍頻晶體的應(yīng)用，圖1是典型示意圖。由激光器①發(fā)出的特定波長的激光基波光，其偏振方向通過半波長片④調(diào)節(jié)至和晶體a軸方向平行?；ü庠贛NP晶體中的傳播方向與晶體的c軸(即光軸)的夾角為θ，這角通常被稱為位相匹配角，它的數(shù)值由激光束的波長決定。激光束通過MNP晶體⑦后的出射光束同時(shí)包括了光頻分別為ω和2ω的基波光和倍頻光，色散棱鏡⑧又使它們分開，從而獲得倍頻光的輸出。
上述是MNP晶體作為一種非線性光學(xué)晶體的一個(gè)最簡單的應(yīng)用。使用MNP還可以實(shí)現(xiàn)和頻、差頻輸出，即當(dāng)頻率分別為ω1和ω2的兩束激光按一定角度和偏振方向入射到MNP晶體并通過該晶體后，能分別獲得ω1+ω2，ω1-ω2兩種頻率的激光束。另外，我們還可以通過光參量振蕩器和光參量放大器裝置，使一束泵浦激光入射到MNP晶體后，通過改變MNP晶體的θ角，而得到一束其頻率可以連續(xù)調(diào)諧的激光束。
權(quán)利要求
1.一種新型非線性光學(xué)晶體鈮磷酸鎂(簡稱為MNP)，其特征在于其分子式為(分子式為Mg2Nb4P2O17，空間群為S42，單胞體積為931(埃)，單胞參數(shù)a＝15.60(埃)，c＝3.827(埃)，c/a＝0.244，硬度為7Morse(硬度單位)，熔點(diǎn)高于1300℃，在空氣中不潮解，并有良好的機(jī)械性能。
2.一種新型非線性光學(xué)晶體鈮磷酸鎂(簡稱為MNP)，其特征在于用熔鹽法，以KF氟化物作助熔劑能夠成功地生長出單晶。
3.一種新型非線性光學(xué)晶體鈮磷酸鎂(簡稱為MNP)，其特征在于它對(duì)λ＝1.06μm的激光光束能夠?qū)崿F(xiàn)2倍頻的光輸出。
4.一種新型非線性光學(xué)晶體鈮磷酸鎂(簡稱為MNP)，其特征在于它在可見光區(qū)的諧波發(fā)生器件，光參量與光放大器件，光波導(dǎo)器件中可獲得廣泛應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型非線性光學(xué)晶體鈮磷酸鎂(分子式為Mg
文檔編號(hào)C01B25/00GK1167076SQ9611694
公開日1997年12月10日 申請(qǐng)日期1996年5月30日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月30日
發(fā)明者劉建國 申請(qǐng)人:劉建國