化合物钒酸锂钠光学晶体及其制备方法和用途与流程

本发明涉及化学式为LiNaV₂O₆的化合物钒酸锂钠光学晶体，晶体制备方法和利用该晶体制作的光学器件。

背景技术：

随着激光产业和光纤通讯事业的迅猛发展，寻找一种新的具有良好性能的双折射材料显得极为迫切。双折射现象是光在光性非均匀的介质晶体中传播时表现出来的重要特性之一。光在光性非均质体(如三方晶系、四方晶系，三斜晶系等晶系的晶体)中传播时(除了沿光轴方向)，会改变其振动特点，分解为两个电场矢量振动方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两束偏振光，即o光和e光，这种现象称为双折射，这样的晶体称为双折射晶体。利用双折射晶体的特性可以得到线偏振光，实现对光束的位移等。从而使得双折射晶体成为制作光隔离器，环形器，光束位移器，光学起偏器和光学调制器等光学元件关键材料。常用的双折射材料主要有钒酸钇，冰洲石，偏硼酸钡等。其中钒酸钇(YVO₄)单晶是一种具有优良物理光学性能的双折射晶体材料。该晶体透光范围宽，透过率高、双折射系数大、并易于加工。因此，YVO₄晶体被广泛应用于光纤通信领域，是光通信无源器件如光隔离器、旋光器、延迟器、偏振器中的关键材料。冰洲石晶体是一种天然双折射材料，在可见到近红外具有比较好的光学性能。冰洲石可加工产品的尺寸较大，并且价格实惠，被广泛应用于偏振器件和补偿器件中。偏硼酸钡(α-BBO)晶体是一种优异的双折射材料，具有非常良好的光学性能，在紫外到中红外都具有很好的透过。α-BBO晶体内部质量良好，吸收小，并且由于具有良好的紫外透过，被广泛应用于高消光比、深紫外激光系统中,主要加工成格兰偏振棱镜和偏振分束器、补偿器等。然而这些材料也都存在着不足之处，例如，YVO₄晶体由于在生长过程中有多困难，也不易获得高质量的晶体；冰洲石晶体人工合成难，且易于解离；α-BaB₂O₄由于存在固态相变，很容易在晶体生长过程中开裂；总而言之，所存在的这些双折射材料要么是无法满足发尺寸光学偏光元件的要求，晶体利用率低，要么就是难生长。鉴于此，非常有必要寻找一种易于生长，性能稳定且具有较大双折射率的双折射晶体。

本发明合成的化合物钒酸锂钠晶体由于其较大的双折射率，可作为格兰棱镜，偏光棱镜，偏振分束器，光隔离器，环形器，光束位移器，光学起偏器和光学调制器等。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种化合物钒酸锂钠光学晶体，该晶体的化学式为LiNaV₂O₆，分子量为227.81，晶体属单斜晶系，空间群为C2/c，晶胞参数为β＝108.965(14)°，Z＝2，

本发明另一目的在于提供采用高温熔液法生长钒酸锂钠光学晶体的制备方法。

本发明再一个目的是提供一种钒酸锂钠光学器件的用途，适用于制作光通信元件中的例如格兰棱镜，偏光棱镜，偏振分束器，光隔离器，环形器，光束位移器，光学起偏器和光学调制器。

本发明所述的一种化合物钒酸锂钠光学晶体，该晶体的化学式为LiNaV₂O₆，分子量为227.81，晶体属单斜晶系，空间群为C2/c，晶胞参数为β＝108.965(14)°，Z＝2，

所述的化合物钒酸锂钠光学晶体的制备方法，采用高温溶液法生长晶体，具体操作步骤按下列进行：

a、将含锂化合物为碳酸锂、硝酸锂或氢氧化锂，含钠化合物为碳酸钠、硝酸钠或氢氧化钠和含钒化合物为五氧化二钒按摩尔比Li:Na:V＝1:1:2称取后，放入研钵中，混合并仔细研磨，然后装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，将其压紧，放入马弗炉中，缓慢升温至350℃，恒温12小时，尽量将气体赶出，待冷却后取出坩埚，此时样品较之前的松软，取出样品重新研磨均匀，再置于坩埚中，在马福炉内于500℃恒温48小时，将其取出，放入研钵中捣碎研磨即得钒酸锂钠化合物单相多晶粉末，再对该多晶粉末进行X射线分析，所得X射线谱图与成品LiNaV₂O₆单晶研磨成粉末后的X射线谱图是一致的；

b、将步骤a得到的化合物钒酸锂钠在铂金坩埚中加热到熔化，并在温度650℃恒温48-100h，再降温至590-580℃，得到LiNaV₂O₆熔体；

c、以0.5-10℃/h的速率缓慢降温至室温，结晶获得籽晶或在降温中使用铂丝悬挂法获得小晶体作为籽晶；

d、在化合物熔体表面或熔体中生长晶体：将步骤c得到的籽晶固定在籽晶杆上，从顶部下籽晶与步骤b所述熔体表面接触或伸入熔体中，降温至525－520℃，或将步骤b化合物熔体直接降温至525－520℃，再与固定在籽晶杆上籽晶接触；

e、再以温度0.1-5℃/天的速率缓慢降温或恒温，并以13-17mm/h的速度向上提拉晶体，待单晶生长到所需尺度后，加大提拉速度，将晶体提离混合熔液表面，并以温度20-80℃/h速率降至室温，然后将晶体从炉膛中取出，即可得到钒酸锂钠光学晶体。

所述的钒酸锂钠光学晶体在制备格兰棱镜、偏振分束器、补偿器、光隔离器或环形光学调制器中的用途。

本发明所述的化合物钒酸锂钠光学晶体，其化学式为LiNaV₂O₆，采用固相反应法按下 列化学反应式制备钒酸锂钠化合物；

(1)Li₂CO₃+2NaNO₃+2V₂O₅→2LiNaV₂O₆+CO₂↑+N₂O₅↑

(2)Li₂CO₃+Na₂CO₃+2V₂O₅→LiNaV₂O₆+CO₂↑

(3)2LiOH+Na₂CO₃+2V₂O₅→2LiNaV₂O₆+CO₂↑+H₂O↑

(4)LiNO₃+NaNO₃+V₂O₅→LiNaV₂O₆+N₂O₅↑

本发明所述的化合物钒酸锂钠光学晶体及其制备方法和用途，所获晶体机械硬度适中，易于切割、抛光、加工和保存，不溶于水，不潮解，在空气稳定，适于制作光通信元件，例如格兰棱镜，偏光棱镜，偏振分束器，光隔离器，环形器，光束位移器，光学起偏器和光学调制器等。

附图说明

图1为本发明LiNaV₂O₆粉末的x-射线衍射图；

图2为本发明楔形双折射晶体偏振分束器示意图；

图3为本发明光隔离器示意图；

图4为本发明LiNaV₂O₆光学晶体照片图；

图5为光束位移器示意图，其中1为入射光，2为o光，3为e光，4为光轴，5为LiNaV₂O₆晶体，6透光方向，7光轴面。

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：

按反应式Li₂CO₃+2NaNO₃+2V₂O₅→2LiNaV₂O₆+CO₂+N₂O₅↑合成钒酸锂钠(LiNaV₂O₆)化合物：

a、将碳酸锂、硝酸钠和五氧化二钒按摩尔比1:2:2称取后，放入研钵中，混合并仔细研磨，然后装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，将其压紧，放入马弗炉中，缓慢升温至350℃，恒温12小时，尽量将气体赶出，待冷却后取出坩埚，此时样品较之前的松软，取出样品重新研磨均匀，再置于坩埚中，在马福炉内于500℃恒温48小时，将其取出，放入研钵中捣碎研磨即得钒酸锂钠化合物单相多晶粉末，再对该多晶粉末进行X射线分析，所得X射线谱图与成品LiNaV₂O₆单晶研磨成粉末后的X射线谱图是一致的；

在高温熔液中采用提拉法生长大尺寸LiNaV₂O₆晶体：

b、将合成的LiNaV₂O₆化合物装入Φ30mm×30mm的开口铂坩埚中，将坩埚放入晶体生长炉中，升温至650℃，恒温48小时后，再降温至590℃，得到LiNaV₂O₆熔体；

c、以温度0.5℃/h的速率缓慢降温至室温，结晶获得籽晶；

d、在化合物熔体表面生长晶体：将步骤c得到的籽晶固定在籽晶杆上，从顶部下籽晶，将固定在籽晶杆下端的籽晶从炉顶部小孔导入坩埚，使籽晶与步骤b所述LiNaV₂O₆熔体表面接触，降温至520℃；

e、恒温，以13mm/h的速度向上提拉晶体，待单晶生长停止后，加大提拉速度，使晶体脱离熔体液面，以温度20℃/h的速率降至室温，然后缓慢从炉膛中取出晶体，即可得到尺寸为23mm×20mm×4mm的钒酸锂钠(LiNaV₂O₆)光学晶体。

实施例2

按反应式Li₂CO₃+Na₂CO₃+2V₂O₅→LiNaV₂O₆+CO₂↑合成LiNaV₂O₆化合物：

a、将碳酸锂、碳酸钠和五氧化二钒按摩尔比1:1:2称取后，放入研钵中，混合并仔细研磨，然后装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，将其压紧，放入马弗炉中，缓慢升温至350℃，恒温12小时，尽量将气体赶出，待冷却后取出坩埚，此时样品较之前的松软，取出样品重新研磨均匀，再置于坩埚中，在马福炉内于500℃恒温48小时，将其取出，放入研钵中捣碎研磨即得钒酸锂钠化合物单相多晶粉末，再对该多晶粉末进行X射线分析，所得X射线谱图与成品LiNaV₂O₆单晶研磨成粉末后的X射线谱图是一致的；

在高温熔液中采用提拉法生长大尺寸LiNaV₂O₆晶体：

b、将合成的LiNaV₂O₆化合物装入Φ30mm×30mm的开口铂坩埚中，将坩埚放入晶体生长炉中，升温至650℃，恒温60小时后，再降温至588℃，得到LiNaV₂O₆熔体；

c、以温度3℃/h的速率缓慢降温至室温，结晶获得籽晶；

d、在化合物熔体中生长晶体：将步骤c得到的籽晶固定在籽晶杆上，从顶部下籽晶，将固定在籽晶杆下端的籽晶从炉顶部小孔导入坩埚，将籽晶伸入LiNaV₂O₆熔体中，降温至525℃；

e、再以温度1℃/天的速率缓慢降温，以16mm/h的速度向上提拉晶体，待单晶生长停止后，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，然后缓慢从炉膛中取出晶体，即可得到尺寸为15mm×8mm×3mm的钒酸锂钠(LiNaV₂O₆)光学晶体。

实施例3：

按反应式2LiOH+Na₂CO₃+2V₂O₅→2LiNaV₂O₆+CO₂↑+H₂O↑合成LiNaV₂O₆化合物：

a、将氢氧化锂、碳酸钠和五氧化二钒按摩尔比2:1:2称取后，放入研钵中，混合并仔细研磨，然后装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，将其压紧，放入马弗炉中，缓慢升温至350℃，恒温12小时，尽量将气体赶出，待冷却后取出坩埚，此时样品较之前的松软，取出样品重新研磨均匀，再置于坩埚中，在马福炉内于500℃恒温48小时，将其取出，放入研钵中捣碎研磨即得钒酸锂钠化合物单相多晶粉末，再对该多晶粉末进行X射线分析，所得X射线谱图与成品LiNaV₂O₆单晶研磨成粉末后的X射线谱图是一致的；

在高温熔液中采用提拉法生长大尺寸LiNaV₂O₆晶体：

b、将合成的LiNaV₂O₆化合物装入Φ30mm×30mm的开口铂坩埚中，将坩埚放入晶体生长炉中，升温至650℃，恒温80小时后，再降温至585℃，得到LiNaV₂O₆熔体；

c、以温度6℃/h的速率缓慢降温至室温，在降温中使用铂丝悬挂法获得小晶体作为籽晶；

d、在化合物熔体表面生长晶体：将步骤c得到的籽晶固定在籽晶杆上，从顶部下籽晶，将固定在籽晶杆下端的籽晶从炉顶部小孔导入坩埚，将步骤b中的化合物熔体直接降温至525℃，再与固定在籽晶杆上籽晶与LiNaV₂O₆熔体液面接触；

e、再以温度0.1℃/天的速率缓慢降温，以15mm/h的速度向上提拉晶体，待单晶生长停止后，加大提拉速度，使晶体脱离熔体液面，以温度60℃/h的速率降至室温，然后缓慢从炉膛中取出晶体，即可得到尺寸为22mm×9mm×2mm的钒酸锂钠(LiNaV₂O₆)光学晶体。

实施例4：

按反应式LiNO₃+NaNO₃+V₂O₅→LiNaV₂O₆+N₂O₅↑合成Ba₂B₁₀O₁₇化合物：

a、将硝酸锂、硝酸钠和五氧化二钒按摩尔比1:1:1称取后，放入研钵中，混合并仔细研磨，然后装入Φ100mm×100mm的开口刚玉坩埚中，将其压紧，放入马弗炉中，缓慢升温至350℃，恒温12小时，尽量将气体赶出，待冷却后取出坩埚，此时样品较之前的松软，取出样品重新研磨均匀，再置于坩埚中，在马福炉内于500℃恒温48小时，将其取出，放入研钵中捣碎研磨即得钒酸锂钠化合物单相多晶粉末，再对该多晶粉末进行X射线分析，所得X射线谱图与成品LiNaV₂O₆单晶研磨成粉末后的X射线谱图是一致的；

在高温熔液中采用提拉生长大尺寸LiNaV₂O₆晶体：

b、将合成的LiNaV₂O₆化合物装入Φ30mm×30mm的开口铂坩埚中，将坩埚放入晶体生长炉中，升温至650℃，恒温100小时后，再降温至590℃，得到LiNaV₂O₆熔体；

c、以温度10℃/h的速率缓慢降温至室温，在降温中使用铂丝悬挂法获得小晶体作为籽晶；

d、在化合物熔体中生长晶体：将籽晶固定在籽晶杆上，从顶部下籽晶，将固定在籽晶杆下端的籽晶从炉顶部小孔导入坩埚，将步骤b中化合物熔体直接降温至520℃，再将固定在籽晶杆上籽晶伸入到LiNaV₂O₆熔体中；

e、再以温度5℃/天的速率缓慢降温，以17mm/h的速度向上提拉晶体，待单晶生长到所需尺度后，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，然后缓慢从炉膛中取出晶体，即可得到尺寸为13mm×5mm×2mm的钒酸锂钠(LiNaV₂O₆)光学晶体。

实施例5：

将实施例1－4所得任意的LiNaV₂O₆晶体，用于制备楔形双折射晶体偏振分束器(如图2所示)，一个楔形的双折射晶体，光轴的取向如图2所示，一束自然光入射后经过晶体可以分成两束线偏振光，双折射率越大，两束光可以分开的越远，便于光束的分离。

实施例6：

实施例1－4所得任意的LiNaV₂O₆晶体，用于制备光隔离器(如图3所示)，光隔离器，把一个可将入射光束偏振面旋转45度的法拉第光旋转器置于一对彼此呈45度交叉放置的双折射晶体偏转器之间，则可构成一台光隔离器，它只允许正向传播的光束通过该系统，而将反向传播的光束阻断；图3a表示入射的光束可以通过，图3b表示反射光被阻止了。

实施例7：

实施例1－4所得任意的LiNaV₂O₆晶体，用于制备光束位移器(如图5所示)，光束位移器，加工一个双折射晶体，令其光轴面与棱成一角度θ，如图5a所示；当自然光垂直入射后，可以分成两束振动方向互相垂直的线偏振光，如图5b所示，分别是o光和e光，双折率越大，两束光可以分开的越远，便于光束的分离。