[发明专利]大尺寸体块硼酸钙氧铽晶体及其生长与应用

说明书

技术领域

本发明涉及大尺寸体块硼酸钙氧铽晶体、其生长技术和应用，属于晶体材料技术领域。

背景技术

多功能复合型新材料一直是材料科学研究与探索的前沿和热点，特别是功能晶体及其功能复合晶体。近年来，涉及多铁、磁光、激光非线性、自倍频激光、电光等性质交叉复合的新晶体大量涌现。硼酸钙氧盐晶体就属于此类多功能复合型晶体材料。

硼酸钙氧盐晶体，简写为ReCOB，其中Re为稀土元素，代表性晶体如YCOB，其激光、倍频、激光自倍频、压电与高温压电等研究结果表明YCOB晶体是一种优良的激光、非线性、压电材料，特别说明的是，YCOB晶体还是一种优良的激光自倍频功能复合材料；目前，针对此类晶体的功能复合的研究主要集中在激光自倍频输出。

基于磁光效应的磁光调制，与电光和声光调制同为激光三大调制技术。目前，研究较多并得到实际应用的磁光晶体几乎全为高对称晶体，以立方晶系和单轴晶体居多，如TGG、TAG、TIG等。磁光效应的产生与Tb³⁺离子的存在密切相关，4f⁸→4f⁷5d¹电子跃迁表现出极强的磁性和特殊的荧光性质，而非依赖于材料的对称结构性质。

硼酸钙氧铽TbCa₄O(BO₃)₃晶体结构类似于YCOB晶体。其中稀土原子Tb与Ca原子存在一定的无序占位。TbCOB是非同成分一致熔融或相区很窄的化合物，因而其体块单晶的获得非常困难。除了有得到微米级晶体报道外，迄今为止，国内外还未见有关TbCOB晶体体块单晶的生长、性质测试和应用方面的报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可供晶体物理性能测试与器件研制的大尺寸体块TbCOB单晶，同时还提供一种大尺寸体块TbCOB单晶体的制备方法及其应用。

术语说明：按本领域的习惯，硼酸钙氧铽晶体通常简写为TbCOB。本发明中除了特别说明是多晶的情况外，所述TbCOB晶体均应理解为单晶。

本发明的技术方案如下：

大尺寸体块硼酸钙氧铽单晶体，化学式为TbCa₄O(BO₃)₃，属于单斜晶系，空间群为Cm，晶胞参数为：a=8.0715(7)b=16.0000(15)c=3.5454(3)β=101.2550(10)°，Z=2，其特征在于该体块硼酸钙氧铽单晶体直径≥20mm、长度为≥50mm，紫外-可见-近红外透过光谱在490-1500nm的波长范围内有>85%的高透过率，其紫外吸收截止边位于280nm附近；室温下，压电系数d₁₁=1.8pC/N。

根据本发明，所述大尺寸体块硼酸钙氧铽单晶体，用Nd:YAG激光器产生的波长为1064nm的红外激光入射晶体，在主平面内的位相匹配方向产生强烈的绿光。

根据本发明，大尺寸体块硼酸钙氧铽单晶体的制备方法，通过高温固相烧结得到多晶料，采用提拉法进行近化学计量比晶体的生长，包括步骤如下：

（1）按TbCa₄O(BO₃)₃化学计量比或近化学计量比称取原料Tb₄O₇、CaO和B₂O₃，再额外添加过量的B₂O₃以补偿高温固相反应过程中B₂O₃的挥发，混合均匀，装入磨具压块后放入刚玉坩埚进行烧结，烧结温度900-1200℃，得到硼酸钙氧铽多晶料；

（2）将得到的硼酸钙氧铽多晶料放入铱金坩埚中，根据坩埚中多晶料的量，再适当补加过量的B₂O₃，将装好料的铱金坩埚放入单晶炉内抽真空，并充入保护气体；采用中频感应加热方式，升温至多晶料熔化，适当提高温度，使熔体混合均匀，得到熔融的硼酸钙氧铽多晶料熔体；