综述：高双折射光学晶体结构设计策略的最新进展

本文聚焦 2020 年后高双折射光学晶体结构设计策略。介绍整合 π 共轭基团、引入特定阳离子等多种策略，探讨其合成、表征及构效关系，分析研究现状与挑战，为双折射晶体研究及下一代光学材料发展提供参考。

　　

引言

21 世纪被称为 “光的世纪”，光电产业蓬勃发展。双折射现象自 1669 年被发现后，在光电技术领域意义重大。双折射晶体按光轴数量分为单轴和双轴晶体。单轴晶体（如属于六方、四方和三方晶系的晶体）仅有一个光轴，双轴晶体（包括单斜、三斜和正交晶系的材料）则有两个光轴 。
在单轴晶体中，o 光和 e 光沿光轴传播时不分离。双折射指数（Δn）通过寻常光和非寻常光的折射率差值计算（Δn = |n_o–n_e|）。若 e 光传播速度（v_e）慢于 o 光（v_o），即 n_e > n_o，晶体为正单轴晶体；反之则为负单轴晶体。双轴晶体有三个折射率 n_x、n_y、n_z（n_x < n_y < n_z），根据 n_z–n_y与 n_y–n_x差值大小，又分为正双轴晶体和负双轴晶体。
双折射晶体在光调制和偏振领域应用广泛，像隔离器、棱镜偏振器、偏光显微镜等都离不开它。虽然已有 MgF₂、CaCO₃、TiO₂、YVO₄、α - BaB₂O₄、LiNbO₃等商业化双折射晶体，但它们各有缺陷。例如，MgF₂双折射低（0.012 @ 546 nm），CaCO₃易加工开裂且双折射有限（0.171 @ 1300 nm），TiO₂加工困难，YVO₄在紫外区使用受限，α - BaB₂O₄存在结构转变影响稳定性，LiNbO₃双折射较小（0.084 @ 633 nm）且紫外透过性差。
实用的双折射晶体需满足多个标准：合适的 Δn，否则会影响光学器件小型化；高激光损伤阈值（LIDT），确保能承受高能激光照射；易于晶体生长且性质稳定，利于获取高质量单晶和实际加工；宽透射范围，以适应不同光学应用。目前，调整晶体结构可改变 Δn，但透明度和稳定性等性质较难优化，所以提升 Δn 仍是研究重点。
此外，双折射晶体需结晶于非立方晶系空间群才能展现光学各向异性。过去已有不少关于双折射晶体的综述，但本文聚焦 2020 年后的研究，系统介绍增强双折射晶体 Δn 的结构设计策略。

结构设计策略

整合具有本征大极化各向异性的 π 共轭基团到晶体结构中

与非 π 共轭基团相比，π 共轭基团光学各向异性更强、极化率更大，在双折射晶体设计上优势明显。本部分将介绍含有平面 π 共轭基团的双折射化合物，这些平面 π 共轭基团包括平面三角形 [MO₃] 单元及其衍生物。

双折射性质测量

Δn 是各向异性光学晶体的关键属性，直接影响光学元件性能，因此在晶体投入使用前准确测量至关重要。目前可见光区域晶体 Δn 的测量方法众多，但在深紫外（DUV）和中红外至远红外（MFIR）区域，传统测量方法往往不适用。这主要是因为 DUV 激光源稀缺。

总结与展望

本文系统分类总结了 140 多种高性能双折射晶体的结构设计策略，深入探讨其独特晶体结构、优异光学性质、先进理论计算及复杂构效关系。从原子和分子层面剖析双折射基本原理，突出晶体工程创新方法，为双折射晶体研究和下一代光学材料及器件发展提供了全面参考。同时，也指出当前研究的成果、局限与挑战，为未来研究指明方向。