潘世烈课题组：新型深紫外双折射晶体及器件- 大数跨境

两江科技评论

2019-09-09

双折射晶体是一种重要的光电功能晶体材料，利用双折射晶体可以对激光的偏振态进行调制和检测，广泛应用于激光偏光技术、光通讯、偏光信息处理、高精度科研仪器等领域。

随着全固态深紫外激光(< 200 nm)技术的不断发展，亟需开发适用的深紫外双折射晶体。目前，商业化的双折射晶体主要有YVO₄、冰洲石、LiNbO₃、金红石、α-BaB₂O₄ (α-BBO)和MgF₂等。其中α-BBO晶体具有大双折射率（0.1222@532 nm）、高激光损伤阈值和宽透光范围，广泛应用于近红外、可见光以及紫外波段的高功率激光系统。受透过范围(189-3500 nm)限制，α-BBO晶体在深紫外波段的应用受到影响。MgF₂晶体是深紫外区性能优异的双折射材料，已在193 nm光刻及其它基础研究领域获得良好应用，但是它的双折射率太小(~ 0.01)，无法用于制做格兰棱镜，增大分束角则需增加棱镜长度，不利于装置紧凑化。

新疆理化所中科院特殊环境功能材料与器件重点实验室的潘世烈研究员团队基于经典的偶极-偶极相互作用模型对B-O基团进行了系统的理论研究，首次提出利用[BO₂]^∞无限链设计合成大双折射率材料的策略，结合第一性原理方法筛选出了深紫外双折射晶体Ca(BO₂)₂。

图：生长的Ca(BO₂)₂晶体及其光学性能。(a) 提拉法生长的Ca(BO₂)₂晶体照片；(b) 1 mm 厚度的Ca(BO₂)₂和α-BBO (001)晶片在160-220 nm范围透过光谱；(c) Ca(BO₂)₂与其它硼酸盐双折射晶体的双折射率比较；(d)深紫外格兰棱镜设计图和Ca(BO₂)₂格兰偏光镜(抛光和封装前)

用提拉法生长出的尺寸达50 mm× 41 mm × 22 mm的高质量晶体，紫外截止边（169 nm）比α-BBO的截止边（189 nm）紫移了20 nm，双折射率大（Δn = 0.2471@193 nm），并具有很好的热学稳定性、抗潮解性和适中的硬度。基于Ca(BO₂)₂双折射晶体，制作出了可用于深紫外区的格兰偏振器，并用193 nm的激光对它的有效性进行了验证，测试表明它的消光比高达1.1 × 10⁴，能够满足实际应用要求。

此外，该晶体是同成分熔融化合物、常压下没有相变并且可以在开放体系中生长，因此更容易获得大尺寸高质量单晶；该晶体原料价格低廉、生长温度低、耗能少、生长周期短、产率高，因此具有更低的生产成本。这一研究表明Ca(BO₂)₂晶体有希望成为实用化的紫外、深紫外双折射晶体材料。

相关研究成果已申请了中国、美国发明专利，发表在Journal of the American Chemical Society[140,16311-16319 (2018)] 上。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b10009

文章来源：中国激光