Материал для дихроичной поляризации света - кристалл LiBa(BO)F Российский патент 2017 года по МПК C30B9/04 C30B9/12 C30B29/12 G02F1/01 G02F1/17 G02B5/30 

Изобретение относится к материалам для поляризационных оптических устройств, которые могут быть использованы для получения линейно-поляризованного света в оптико-электронных приборах: поляриметрах, эллипсометрах, дихрометрах, фотоэлектрических автоколлиматорах, модуляторах световых потоков, устройств индикации, отображения и хранения информации, элементов памяти, в частности к кристаллу LiBa₁₂(BO₃)₇F₄, предназначенному для дихроичной поляризации света.

Помимо непосредственного использования источника поляризованного света данный тип излучения можно получить при пропускании света с круговой поляризацией через поляризатор. Процесс поляризации можно реализовать за счет разных физических явлений: дихроизма, двойного лучепреломления отражения, рассеяния.

Наиболее широкое распространение получили дихроичные полимерные материалы для поляризаторов. Например, растянутая в одном направлении пленка поливинилового спирта подвергается реакции с элементарным йодом, что приводит к образованию молекулярных кристаллов полийодидов поливинилового спирта. Оптическая анизотропия пленки возникает за счет ориентации микрокристаллов вдоль направления растяжения (E.H. Lend, C.D. West. Colloid. Chem. 1946. V 6, №2. P. 160). Другой известный тип поляризаторов так называемый герапатитовый поляроид. Он изготавливается из суспензии ультрамикроскопических иглообразных кристалликов сульфата йодистого хинина в нитро- или ацетилцеллюлозной пленке (Land, British Patent No 412, 179, Dec, 16, 1932).

Поляризаторы на основе полимерных пленок имеют низкую прозрачность в сочетании с небольшой термостойкостью, что не позволяет их использовать в мощных световых потоках. В таких случаях используются двулучепреломляющие составные поляризаторы из кристаллов кальцита, ванадата иттрия и др. Промежуточным вариантом, сочетающим в себе высокую прозрачность составных поляризаторов и компактность пленочных, является дихроичный поляризатор, выполненный в виде плоскопараллельной пластины из анизотропного кристалла, например турмалина. В этом кристалле один из лучей (обыкновенный) поглощается значительно сильнее, чем другой (необыкновенный). Поэтому из пластинки турмалина оба луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, выходят с различной интенсивностью. При достаточно большой толщине пластинки (около 1 мм) вышедший свет в видимой области спектра будет практически плоскополяризованным [Ландсберг Г.С. Оптика. М., «Наука», 1976, с. 386-387].

Многолетний интерес к фторидоортоборатам связан с многочисленными практическими применениями в оптических системах, а именно в качестве перспективных материалов для поляризаторов. Так, известен оптически одноосный кристалл LiBa₁₂(BO₃)₇F₄, относящийся к тетрагональной сингонии с пространственной группой I4/mcm, и параметрами элементарной ячейки: а=13,5709(6)Å и с=14,9908(13)Å [J. Zhao and R.K. Li. Two new barium borate fluorides ABa₁₂(BO₃)₇F₄ (A=Li and Na) // Inorganic Chemistry, 2014, vol. 53, pp. 2501-2505]. Особенностью структуры данного кристалла является наличие в ней крупных октагональных каналов вдоль направления оптической оси с располагающимися в них структурными единицами LiF₄-BO₃. Кристаллы LiBa₁₂(BO₃)₇F₄ получены методом раствор-расплавной кристаллизации на монокристаллическую затравку из раствор-расплава исходных компонентов, взятых в соотношении 0.3 ВаСО₃ : 0.3 BaF₂ : 0.3 Н₃ВО₃ : 0.1 Li₂CO₃, при охлаждении раствор-расплава со скоростью 10°С/сут от 910°С. Такой же состав раствор-расплава для выращивания кристалла был предложен в работе (Zhao, Li 2014), цвет кристалла описан как фиолетовый. Полученные кристаллы не обладали эффектом дихроизма.

Задачей изобретения является получение кристалла LiBa₁₂(BO₃)₇F₄, характеризуемого наличием эффекта избирательного поглощения - эффектом дихроизма в видимой области спектра.

Технический результат заключается в получении кристалла LiBa₁₂(BO₃)₇F₄ - эффективной среды для линейной дихроичной поляризации, оптическое качество которого обеспечивает изготовление пластин, обеспечивающих получение поляризованного света в видимой области спектра.

Кристалл LiBa₁₂(BO₃)₇F₄, характеризуемый наличием эффекта избирательного поглощения - эффектом дихроизма в видимой области спектра, выращен из раствор-расплава состава 0.30 ВаСО₃ : 0.30 BaF₂ : 0.30 Н₃ВО₃ : 0.10 Li₂CO₃ на затравку методом снижения температуры раствор-расплава от 910°С до 888°С при скорости снижения температуры 1.2-1.5°С/сут. и одностороннем вращении кристалла со скоростью 1.0-2 об/мин.

Скорость снижения температуры 1.2-1.5°С/сут и вращение кристалла LiBa₁₂(BO₃)₇F₄ обеспечивают высокое качество полученных кристаллов - отсутствие включений и иных дефектов, приводящих к рассеиванию света.

Доказательством возможности использования LiBa₁₂(BO₃)₇F₄, характеризуемого наличием эффекта избирательного поглощения, является изменение поглощения образца в зависимости от направления поляризации света, проходящего через кристалл.

На фиг. 1 показан кристалл LiBa₁₂(BO₃)₇F₄, с эффектом дихроизма, изменяющий свою окраску от фиолетового (а) до зеленовато-желтого (б), выращенный из раствор-расплава состава 0.3 ВаСО₃ : 0.3 BaF₂ : 0.3 Н₃ВО₃ : 0.1 Li₂CO₃. На фиг. 2 приведены: (а) расчетная дифрактограмма из работы (Zhao, Li 2014) и (б) порошковая дифрактограмма дихроичного кристалла LiBa₁₂(BO₃)₇F₄, выращенного из раствор-расплава состава 0.3 ВаСО₃ : 0.3 BaF₂ : 0.3 Н₃ВО₃ : 0.1 Li₂CO₃ и изображенного на фиг. 1. На фиг. 3 - спектр пропускания пластинки толщиной 0.6 мм, вырезанной перпендикулярно оптической оси из кристалла LiBa₁₂(BO₃)₇F₄. Неполяризованное излучение. На фиг. 4 - спектр пропускания пластинки толщиной 1.8 мм, вырезанной параллельно оптической оси из кристалла LiBa₁₂(BO₃)₇F₄: о-луч (сплошная линия), е-луч (точечная линия) и для света, поляризованного под промежуточным углом в 45° (пунктир).

Пример конкретного выполнения.

Выращивание кристаллов LiBa₁₂(BO₃)₇F₄ проводят в прецизионной нагревательной печи. Для выращивания кристалла LiBa₁₂(BO₃)₇F₄ готовят раствор-расплав состава 0.30 ВаСО₃ : 0.30 BaF₂ : 0.30 Н₃ВО₃ : 0.10 Li₂CO₃ массой 72.52 г, что соответствует массе шихты 90 г (29.50 г ВаСО₃, 33.74 г BaF₂, 11.90 г Н₃ВО₃, 6.39 г Li₂CO₃). Рост кристалла LiBa₁₂(BO₃)₇F₄ осуществляют на затравку сечением 3×3 мм методом снижения температуры при одностороннем вращении кристалла со скоростью 1.2 об/мин. Температурный диапазон кристаллизации составляет 22 градуса при скорости снижения 1.2-1.5 град/сут. После извлечения кристалла LiBa₁₂(BO₃)₇F₄ из раствор-расплава скорость охлаждения соответствовала 15 град/час. Коэффициент выхода полученного кристалла равен 10.84 г/кг. Начальная температура роста составила 910°С. Выращен кристалл LiBa₁₂(BO₃)₇F₄ массой 17.3 г, изменяющий свою окраску от зеленовато-желтой до фиолетовой в разных направлениях (фиг. 1, а-б).

Сравнение дифрактограмм, приведенных на фиг. 2, показывает, что полученный кристалл соответствует фазе LiBa₁₂(BO₃)₇F₄, открытой в работе (Zhao, Li 2014).

Для изучения спектров пропускания из выращенного кристалла LiBa₁₂(BO₃)₇F₄ с проявлением эффекта дихроизма были изготовлены 2 образца в виде пластинок, вырезанных перпендикулярно и параллельно оптической оси. Спектры изучены на спектрометре Cary 100, Varian. Спектры пропускания первого образца (фиг. 3) сходны с приведенными в работе Zhao,Li 2014 для кристаллов, не обладающими эффектом дихроизма. На фиг. 4 видно, что в первом образце практически полностью поглощается обыкновенный луч в видимой области спектра. Таким образом, наличие эффекта избирательного поглощения, т.е. эффект дихроизма, обеспечивает возможность применения кристаллов LiBa₁₂(BO₃)₇F₄ в качестве дихроичных поляризаторов.

Дихроичный поляризатор на кристалле LiBa₁₂(BO₃)₇F₄ будет представлять собой плоскопараллельную пластинку, ориентированную таким образом, что оптическая ось (ось поглощения) будет расположена в плоскости пластинки. Если перпендикулярно поверхности пластинки направить луч неполяризованного света в диапазоне 350-600 нм, то на выходе из пластинки мы получим излучение с поляризацией в плоскости, в которой лежит оптическая ось кристалла. Толщина пластинки должна быть оптимизирована под поставленную задачу.

Изобретение относится к материалам для поляризационных оптических устройств, которые могут быть использованы для получения линейно-поляризованного света в оптико-электронных приборах: поляриметрах, эллипсометрах, дихрометрах, фотоэлектрических автоколлиматорах, модуляторах световых потоков, устройств индикации, отображения и хранения информации, элементов памяти. Кристалл LiBa₁₂(BO₃)₇F₄, характеризуемый наличием эффекта избирательного поглощения - эффектом дихроизма в видимой области спектра, выращен из раствор-расплава исходных компонентов, взятых в соотношении 0,30 ВаСО₃ : 0,30 BaF₂ : 0,30 Н₃ВО₃ : 0,10 Li₂CO₃ на затравку методом снижения температуры раствор-расплава от 910°С до 888°С при скорости снижения температуры 1,2-1,5°С/сут и одностороннем вращении кристалла со скоростью 1,0-2,0 об/мин. Технический результат заключается в получении эффективной среды для линейной дихроичной поляризации, оптическое качество которого обеспечивает изготовление пластин, обеспечивающих получение поляризованного света в видимой области спектра. 4 ил., 1 пр.

Кристалл LiBa₁₂(ВО₃)₇F₄, характеризуемый наличием эффекта избирательного поглощения - эффектом дихроизма в видимой области спектра, выращен из раствор-расплава состава 0,30 ВаСО₃ : 0,30 BaF₂ : 0,30 Н₃ВО₃ : 0,10 Li₂CO₃ на затравку методом снижения температуры от 910°C до 888°C при скорости снижения 1,2-1,5°C/сут при одностороннем вращении кристалла со скоростью 1,0-2,0 об/мин.