碱金属掺杂剂Rb对紫外透明五硼酸铵晶体结构、力学及光学性能的影响研究

本文通过慢蒸发技术成功生长了Rb掺杂五硼酸铵四水合物(AB5)非线性光学晶体，证实了Rb+通过取代NH4+位点显著提升晶体性能。研究显示掺杂后晶体单元胞体积扩大（与Rb+离子半径1.52?相关），微硬度显著增强，紫外-可见光区（230-900 nm）透光性优异，热稳定性达130°C。尤为突出的是，Rb掺杂使晶体三阶非线性极化率(χ(3))提升至5.442×10?6 esu，激光损伤阈值达16.92 GW/cm2，二次谐波产生(SHG)效率显著提高，为紫外激光器开发提供了优质候选材料。

　　

Highlight

紫外透明的未掺杂及Rb掺杂五硼酸铵四水合物(AB5)非线性光学晶体通过32°C慢蒸发技术成功生长。能量色散X射线分析(EDAX)和拉曼光谱中NH₄伸缩振动强度降低证实了Rb在晶格中的掺杂。高分辨率X射线衍射(HRXRD)的摇摆曲线对称性表明掺杂剂占据了宿主晶体的替代位点。

元素分析

EDAX显示晶体中Rb离子掺杂量达1.98%（图2），为后续性能优化提供定量依据。

拉曼分析

采用BRUKER RFS 27傅里叶变换拉曼光谱仪（Nd:YAG激光器1064 nm激发）检测到BO₃三角基团和BO₄四面体基团的特征振动峰（图3）。NH₄⁺伸缩振动峰强度降低，直接印证了Rb⁺的晶格取代效应。

结构特性

单晶X射线衍射揭示：Rb掺杂引起单元胞体积膨胀，与Rb⁺较大离子半径（1.52? vs NH₄⁺ 1.48?）直接相关。这种结构调控为光学性能优化奠定基础。

光学性能

两种晶体在230-900 nm波段均展现宽透光窗口，热稳定性高达130°C。Rb掺杂使显微硬度显著提升，三阶非线性极化率(χ⁽³⁾)达5.442×10^?6 esu，激光损伤阈值突破16.92 GW/cm²，二次谐波产生(SHG)效率同步增强。

Conclusion

本研究首次证实Rb掺杂可系统性提升AB5晶体的机械强度与非线性光学响应，其优异的激光耐受性和频率转换能力，为开发紧凑型紫外激光器件提供了新材料解决方案。