[00111749]双折射晶体NBBF

双折射晶体材料属于线性光学材料的范畴,它是一种重要的光电功能材料。利用双折射晶体可以对光的偏振态进行调制和检测,因此它是制备起偏器、检偏器、偏振分束器等偏振器件以及光隔离器、环形器、光束位移器、相位延迟器、光电调制器的关键材料,被广泛的应用于激光偏光技术、光通讯、偏光信息处理、高精度科研仪器等技术和科研领域。随着激光应用范围朝着多波长方向拓展,双折晶体在紫外深紫外区的应用也不断增多。尤其引人注目的是双折射晶体在193 nm激光光刻领域的重要应用。激光光刻技术是大规模、超大规模集成电路的一项必不可少的工艺,然而在实施光刻的过程中,激光经过反射、透射、折射等光路后其偏振态会受到严重影响而发生改变,这会极大的削弱光刻的分辨率,而由双折射晶体制作成的偏振器件能够对激光的偏振态进行调制和检测,从而提高光刻技术的分辨率。例如,在193 nm ArF光刻机偏振照明系统中,对照明光瞳偏振态进行测量和控制是必备的关键技术,由双折射晶体制成的偏振器件是对偏振态进行测量和控制的核心器件。因此,双折射晶体是激光光刻技术中不可或缺的材料。 当前,商业化的双折射晶体主要有YVO4、冰洲石、LiNbO3、金红石、α-BaB2O4 （α-BBO）以及MgF2 7 等单轴晶晶体（表1）。YVO4是一种性能良好的人工双折射晶体,而且容易用提拉法生长出高光学品质的晶体,但是它的透过范围是400-5000 nm,不能用于紫外区。冰洲石晶体（CaCO3）主要从天然矿物中获得,是不可再生资源,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。LiNbO3晶体易于得到大尺寸晶体,但其双折射率较小实际应用中不利于器件的小型化。金红石（TiO2）具有很大的双折射率,但它不易生长大尺寸晶体,并且由于硬度大加工器件难度较大。α-BBO是一种人工合成的性能优秀的双折射晶体,具有较大的双折射率、高的激光损伤阈值以及宽的透光范围,可广泛应用于近红外、可见光以及紫外光波段,可用于高功率的激光系统,是紫外区唯一可用的具有大双折射率的双折射晶体材料;然而,由于存在固态相变,α-BBO晶体生长过程中容易开裂,虽然通过掺杂的方法可以抑制相变的发生,但晶体的质量会随掺杂而下降,高光学质量的晶体不容易获得;同时,由于透过范围的限制,α-BBO很难应用于深紫外（＜ 200 nm）波段;此外,α-BBO晶体还有吸潮性,这会影响晶体的光学质量。MgF2晶体是深紫外区性能最为优异的双折射材料,已经在193 nm光刻以及其它基础研究领域取得了很好的应用,然而它的双折射率太小,无法用作制造格兰-泰勒棱镜,只能用于制作洛匈棱镜和沃拉斯顿棱镜等,且光束分离角小,器件尺寸大,使用不便。此外,目前商业化的双折射晶体都为单轴晶,双轴晶双折射晶体的研究还很少。因此,寻找能够克服现有双折射晶体不足的新型双折射晶体材料具有十分迫切的需求。 前期我们首次发现了Na3Ba2（B3O6）2F（氟硼酸钡钠,简写为NBBF）晶体优异的双折射性质,采用顶部籽晶法生长了小尺寸的晶体,初步测试结果表明NBBF晶体在深紫外波段具有大的双折射率,并且在应用波段、生长习性、潮解性能方面优于目前唯一商业化的紫外双折射晶体α-BBO,有望成为新一代紫外/深紫外双折射晶体。我们已申请美国发明专利（No.PCT/CN2014/078643）和中国发明专利（No.201310549626.3）,对其晶体生长技术和用途进行了专利保护,具有自主知识产权。 本项目采用提拉法生长NBBF晶体,研究晶体的熔融特性,解决体系生长不稳定性问题,优化晶体生长工艺参数,制备出大尺寸晶体;切割光学元件,系统测试晶体双折射特性等物化性能,综合评估其在双折射领域的应用前景。该晶体的研制成功,将为紫外光学起偏器和光学调制器等光学元件提供性能优异的双折射晶体材料,有助于促进紫外偏振光技术的应用和发展。