磷酸钇双折射晶体及其生长方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学器件的生长方法，特别涉及一种用于红外-深紫外波段的磷酸钇 (化学式为YP〇 4)双折射晶体及其生长方法和应用。
【背景技术】
[0002] 双折射现象是光在非均匀的介质晶体中传播时表现出来的重要特性之一。当一束 光波投射到晶体界面上，一般会产生两束折射光束，这种现象称为双折射。由于晶体材料各 向异性，这两束折射光线的夹角大小与光波的传播方向以及偏振状态有关。两束光中其中 一束遵守折射定律的称为0光（ordinary ray、寻常光），其折射率用η。表示，另一束不遵 从折射定律的称为e光（extraordinary ray、非常光），其折射率用ne表示，这两束光都是 偏振光。产生双折射现象的晶体分为单轴晶体和双轴晶体，从晶体结构上分析，称为单轴晶 的材料属于三、四及六方晶系，可在其中的一个平面内找到2个或多个结晶学上等价的方 向；另一类称为双轴晶体的材料属于三斜、单斜或斜方晶系，没有2个结晶学上等价的方向 可供选择。晶体的双折射是电光功能材料的重要光学性能参数，双折射晶体材料用途广泛， 主要应用于制作光隔离器、环形器、光束位移器、光学起偏器和光学调制器等光学元件。
[0003] 随着现代科学技术的发展，对双折射晶体的光学质量有较高的要求，需有足够大 的双折射，优良的光学和物化性能并能实现大批量的晶体生长和器件制备的双折射晶体。 常用的双折射材料主要有方解石晶体、金红石晶体、LiNbO 3晶体、YV04晶体、a -BaB204晶 体以及MgF2晶体等。然而，这些材料有的主要以天然形式存在，人工合成比较困难，一般尺 寸都比较小，无法满足大尺寸光学偏光元件的要求（如方解石晶体、金红石晶体）；有的透 过范围窄，使用波段无法达到深紫外区（如LiNb0 3晶体、YV04晶体）；有的尽管能应用于深 紫波段，但双折射率太小（如ct -BaB204晶体，MgF2晶体）。
[0004] 本发明提供的磷酸钇（ΥΡ04)晶体具有良好的机械性质和物理性质，在紫外，可见 及近红外很宽的波段范围内有良好的透光性，较大的双折射率。与其它重要的双折射晶体 相比，ΥΡ〇 4晶体比方解石晶体硬度高，机械加工性能好，不溶于水，并可人工生长；ΥΡ〇4晶体 也比金红石晶体易于生长出大块优质晶体，价格大大低于金红石；与钒酸钇（YV0 4)比较，透 光范围更宽，并且没有因钒元素在高温下变价导致的晶体缺陷；
[0005] 因此，在许多实用方面磷酸钇可替代以上材料来制作光纤隔离器、环状镜、光来置 换器、分来器、格兰（Gian)偏振镜和其它偏振器件。
【发明内容】
[0006] 本发明的一个目的在于提供一种磷酸钇双折射晶体，该晶 体该晶体化学式为YP〇4,属四方晶系，空间群Il/amd，晶胞参数为 舀=6. 8947 A，c 二 6. 0276 A, K = 286. 53 A1, Z = 4。
[0007] 本发明的另一目的在于提供磷酸钇双折射晶体的生长方法，采用高温熔体法生长 晶体或加入助溶剂生长晶体。
[0008] 本发明的再一目的在于提供磷酸钇双折射晶体的用于红外-深紫外波段，为单轴 晶体，透过范围为150-3300nm ;双折射差Λ η在0. 18到0. 22之间，且能用于紫外/深紫外 波段150-400nm，及光纤隔离器、环状镜、光来置换器、分来器、格兰偏振镜或其它偏振器件 的用途。
[0009] 本发明所述的一种磷酸钇双折射晶体，该晶体化学式为ΥΡ04，属四方晶系，空间群 14/amd，晶胞参数为a 二 6, 8947 A, e = 6. 0276 A, F = 286. 53 A3, Ζ = 4。
[0010] 所述的磷酸钇双折射晶体的制备方法，采用高温熔体法生长晶体或加入助溶剂生 长晶体，所用生长装置为感应加热提拉式生长炉，具体操作步骤按下进行：
[0011] a、将含钇和含磷的化合物按钇：磷的摩尔比1:1混合研磨并均匀压块，装入刚玉 或钼金坩埚中，在空气气氛下烧结温度为900°C -1200°C，保温8-24h得到磷酸钇多晶料；
[0012] b、将磷酸钇多晶料置于铱金坩埚中，装炉，单晶炉抽真空，通保护气体为氮气或氩 气，升温至2150°C -2250°C使多晶料熔化，恒温1-50小时，将熔体降温至2150°C，在熔体表 面下籽晶，以0-100转/分钟的转速旋转籽晶或坩埚，同时以0-20毫米/小时的速度向上 提拉晶体，晶体生长温度在1800°C -2150°C之间，晶体生长周期3-8天；
[0013] 或将磷酸钇多晶料与助熔剂质量比为1:0. 5-10研磨后置于钼金坩埚中，装炉，加 热至温度l〇〇〇°C -1300°C得混合熔液，恒温1-50小时，将熔体降温至950-1200°C，在熔体表 面下籽晶，以0-100转/分钟的转速旋转籽晶或坩埚，同时以0-20毫米/小时的速度向上 提拉晶体，晶体生长温度在900°C -1200°C之间，以0. 1_5°C /天的速率缓慢降温，晶体生长 周期7-21天；
[0014] c、待单晶生长到所需尺度后，加大提拉速度，使晶体脱离熔体或熔液液面，以温度 1-KKTC /h的速率降至室温，然后缓慢从炉膛中取出，即可得到磷酸钇双折射晶体。
[0015] 步骤a中所述的含钇化合物为纯度99. 9% -99. 995 %的氧化钇；所述的含磷化合 物为纯度99. 9% -99. 995%的五氧化二磷、磷酸二氢铵或磷酸氢二氨。
[0016] 步骤b中助熔剂为纯度99. 9% -99. 995%的五氧化二磷、磷酸二氢铵、磷酸氢二 氨、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、三氧化二硼、氧化铅、氟化铅、焦磷酸铅、偏磷酸钠、焦磷酸钾、 焦磷酸钠、焦磷酸锂、三氧化钥或三氧化钨。
[0017] 所述的磷酸钇双折射晶体在制备光纤隔离器、环状镜、光来置换器、分来器、格兰 偏振镜或偏振器件中的用途。
[0018] 磷酸钇双折射晶体为单轴晶体，透过范围150-3300nm，双折射差Λ n = ne-n。在 0. 18-0. 22 之间。
[0019] 本发明所述方法利用高温熔体法生长晶体或加入助溶剂生长晶体，可以在较短时 间内获得大尺寸，高光学质量的磷酸钇双折射晶体。通过本发明所述方法制备的磷酸钇双 折射晶体，在空气中稳定，不易潮解，不溶于水，其透过范围宽150_3300nm，并且双折射差 Λ η在0. 18-0. 22之间，且能用于紫外/深紫外波段150-400nm。能够用于制作格兰型棱 镜、渥拉斯顿棱镜、洛匈棱镜或光束分离偏振器等偏振分束棱镜，在光学和通讯领域有重要 应用。
[0020] 本发明所述方法中涉及的化学方程式为：
[0021 ] Υ203+Ρ205 - 2ΥΡ04 ;
[0022] Y2〇3+2NH4H2P04 - 2YP04+2NH3 t +3H20 ;
[0023] Y203+2 (NH4)2HP04 - 2YP04+4NH3 t +3H20。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明用于红外-深紫外波段的磷酸钇双折射晶体的结构图；
[0025] 图2为本发明用于红外-深紫外波段的磷酸钇双折射晶体的XRD图；
[0026] 图3为本发明楔形双折射晶体偏振分束器示意图；
[0027] 图4为本发明光隔离器示意图；
[0028] 图5为本发明光束位移器7K意图，其中1为入射光，2为〇光，3为e光，4为光轴， 5为磷酸f乙晶体，6透光方向，7光轴面。
【具体实施方式】
[0029] 实施例1 (熔体提拉法生长磷酸钇双折射晶体）
[0030] 按化学式：Y2〇3+P2〇 5 - 2YP04制备磷酸钇双折射晶体：
[0031] 将称取原料（分析纯）Υ2〇3225· 8