新型硼酸盐非线性光学晶体的设计、制备及性能研究

本项目旨在借鉴结构理想的碳酸盐，用(BO3)3－取代(CO3)2－，通过阳离子取代或置换，设计制备新型硼酸盐非线性光学晶体。新硼酸盐晶体继承了碳酸盐阴离子基团的结构特点，通过阳离子配位环境(配位数、配位多面体畸变程度)的变化及其与(BO3)3－阴离子基团的相互协同作用，实现(BO3)3－基团的结构优化，达到增强晶体宏观非线性光学性能的目的。主要研究内容是设计制备新型硼酸盐化合物；建立Na3Gd2(BO3)3等新晶体单晶生长工艺；表征晶体线性及非线性光学性能；揭示晶体结构、功能结构基元之间的相互协同作用与宏观性能的依赖关系及规律；研究常温、高温下结构基元的结构差异、变化规律及其与结晶习性的关系；评估晶体性能及应用前景。本项目研究将开辟非线性光学材料研究的新途径，开创新结构类型的硼酸盐非线性光学晶体，对功能导向晶体材料分子设计和探索有重要启示，对我国非线性光学晶体持续发展和进步，也有积极意义。

本项目重点以Ca2Na2(CO3)3 (碳酸钠钙矿, Shortite)为结构原型，用(BO3)3-取代(CO3)2-，通过阳离子取代或置换，设计制备新型硼酸盐非线性光学晶体。发现了多种以(BO3)3-基团为基本结构基元的新型非线性光学晶体-Na3La2(BO3)3、Na3Gd2(BO3)3、Na3La9O3(BO3)8及Na3Y3(BO3)4，生长出较大尺寸的晶体，表征了它们的线性、非线性光学性质及其它基本物化性能。结果表明：Na3La2(BO3)3晶体具有较强的非线性光学效应，紫外截止边210nm，当θ=77.0°,  =212.1°时，Na3La2(BO3)3晶体1064的二倍频有效非线性系数达到最大，deff=1.44 pm/V，大于LBO的有效非线性系数 (LBO: type -0.96 pm/V, type Ⅱ-0.99 pm/V), Na3La2(BO3)3 作为二倍频晶体具有潜在的价值；Na3La9O3(BO3)8晶体具有优良的非线性光学性能，根据折射率温度系数测定结果获得的Sellmeier方程可计算出不同温度下的相位匹配方向，与实验结果吻合，Na3La9O3(BO3)8作为三倍频晶体具有良好的应用前景；Na3Y3(BO3)4粉末倍频效应强度为2～4倍KDP，紫外截止边约为190 nm，并可实现相位匹配，也具有潜在的应用价值。对这些晶体结构与性能关系的研究表明，具有相同阴离子结构基元的晶体，由于阳离子及其配位环境的变化，阴离子基团的空间分布也将发生一定程度的改变，并影响其折射率、非线性系数等性能。. 发现了一种新型层状结构硼酸盐KBaY(B3O6)2，它与α-Ba2B2O4具有相似的结构，预期具有相当大的双折射率，是一种潜在的双折射晶体。还发现了多种新的硼酸盐化合物 K3YB6O12、K6Li3Sc2B15O30、Ba3Y2B6O15及Na3Sc(BO3)2。此外，生长出较大尺寸的高质量BPO4晶体，研究了热学性能，结果表明具有BPO4晶体具有大的热导率，远大于商用非线性光学晶体BBO、LBO及商用激光晶体YAG、YVO4，具有进一步的研发价值。