[发明专利]硫锗镁锂中远红外非线性光学晶体及制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种硫锗镁锂中远红外非线性光学晶体及制备方法和用途，该晶体的化学式为Li₄MgGe₂S₇，分子量为421.67，结晶于单斜晶系，空间群为Cc，晶胞参数为a=16.872(6)Å，b=6.711(2)Å，c=10.156(4)；α=90°，β=95.169(5)°，γ=90°，V=1145.3(7)ų。硫锗镁锂为无色透明的非中心对称结构晶体，以[LiS₄]，[MgS₄]和[GeS₄]四面体组成结构基元。采用高温熔体自发结晶法或坩埚下降法制备，可用于制备红外波段激光频率的转换、红外激光制导、红外激光雷达、能源探测、远距离激光通讯中的用途。所获得的硫锗镁锂中远红外非线性光学晶体具有优异的光学性能，其红外吸收截止边长，带隙宽，激光损伤阈值高，非线性光学系数大。在高功率红外激光系统中具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种硫锗镁锂中远红外非线性光学晶体材料及制备方法和应用，属于红外非线性光学晶体的领域。

背景技术

非线性光学晶体作为固态激光器中的频率转换器件，引起了激光科学技术的广泛关注。其中红外非线性光学晶体在实际应用中具有重要作用，如激光定向、资源探测和长距离激光通讯等。传统的非线性光学晶体如硼酸盐(β-BaB₂O₄(BBO)、LiB₃O₅(LBO)、CsLiB₆O₁₀(CLBO)、KBe₂BO₃F₂(KBBF))、磷酸盐(KH₂PO₄(KDP)、KTiOPO₄(KTP))在紫外和可见光范围内应用比较广泛，但是它们在中远红波段非线性系数较小、红外截止边较窄，限制了其在红外波段的应用。目前商业化的红外非线性光学材料有AgGaS₂、AgGaSe₂和ZnGeP₂等，该类材料具有大的非线性光学效应、宽的透过范围，但由于存在一些本征性能缺陷，如低的激光损伤阈值、1μm附近的双光子吸收等，在当前高功率激光输出领域的应用受到了限制，已不能完全满足当前激光技术发展的需求，亟需开发、设计具有平衡大倍频及高损伤阈值的新型红外非线性光学晶体材料。

理想的红外非线性光学晶体材料，除了具有必备的非中心对称结构，还需要满足以下基本要求：(1)大的非线性光学系数；(2)在红外波段具有宽的透过波长；(3)较高的激光损伤阈值；(4)实现相位匹配所需要的适当的双折射率；(5)一定的机械强度和物理化学稳定性；(6)容易获得光学均匀性好的大尺寸单晶等。实践证明：硫属化合物中，第四主族的金属M(M＝Si、Ge、Sn)可以形成畸变的[MQ₄](Q＝S、Se)四面体，从而容易产生非中心对称化合物并显示出较大的非线性效应。此外，碱金属和碱土金属离子的引入不仅能拓展透光波段，而且有利于增大材料的带隙。本发明利用AgGaS₂的晶体结构作为模板，选择[GeS₄]、[LiS₄]和[MgS₄]四面体替代[GaS₄]和[AgS₄]，通过高温固相反应成功合成了一例带隙及激光损伤阈值远超目前商用AgGaS₂材料的新型红外非线性光学晶体材料硫锗镁锂。

发明内容