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本论文旨在探索具有实际应用价值的新型紫外、深紫外双折射晶体和非线性光学晶体。通过系统的理论和实验研究，发现了3种具有优异性能的深紫外双折射晶体，Ca(BO2)2、Sr(BO2)2和LiBO2，并进行了大尺寸晶体生长、性能表征以及应用研究;首次对3种已知化合物，Li3BO3、α-Li4B2O5和Li6B4O9，进行了晶体生长探索和光学性能研究，结果表明它们在双折射晶体或非线性光学晶体方面有潜在的应用前景。此外，成功设计合成出了9种新化合物，它们当中3种是潜在的紫外非线性光学晶体，还有2种化合物可作为紫外双折射晶体。 1.Li2O-B2O3二元体系双折射晶体和非线性光学晶体的筛选及结构-性能关系研究 为了探索紫外、深紫外双折射晶体和非线性光学晶体，同时探究B-O基团与材料光学性能的关系，我们对Li2O-B2O3二元体系的化合物Li3BO3、α-Li4B2O5、Li6B4O9以及LiBO2进行了实验和理论研究。我们首次进行了Li3BO3大晶体的生长并得到了最大尺寸为50×30×11mm3的晶体，该晶体具有短的紫外截止边(173nm)和较大的双折射率(～0.07@589nm)，因此可作为紫外、深紫外双折射晶体的备选材料。首次对α-Li4B2O5进行了大尺寸晶体的生长，性能研究表明α-Li4B2O5的紫外截止边为178nm，在可见光区的双折射率约为0.045，非线性光学效应约为KDP的1/3，是具有潜在应用价值的非线性光学晶体。对Li6B4O9的晶体生长进行了初步探索，发现了用LiCl作为助熔剂可以生长出Li6B4O9晶体，第一性原理计算表明该化合物具有大的带隙(6.73eV)和大的双折射率(0.117@589nm)，因此Li6B4O9有可能成为紫外、深紫外双折射晶体材料。我们分别采用顶部籽晶法和提拉法对LiBO2晶体进行了生长，两种方法都得到了大尺寸、高质量的单晶。性能测试表明该晶体具有比商业化的紫外双折射晶体α-BBO更大的双折射率、更短的紫外截止边和更大的激光损伤阈值，是一种非常优秀的深紫外双折射晶体材料。对其应用进行研究发现不仅可以利用该晶体的大双折射和宽透过范围来制作用于紫外、深紫外波段的偏振器件，还能够利用晶体解理面内小双折射的特性来制作相位延迟波片。 2.大光学各向异性B-O基团的系统筛选及深紫外双折射晶体Ca(BO2)2和Sr(BO2)2的研究 为了在硼酸盐中探索高性能的深紫外双折射晶体材料，我们基于经典的偶极-偶极相互作用模型对B-O基团进行了系统的理论研究，首次提出了[BO2]∞无限链是产生大双折射率的最佳B-O功能基元。然后用第一性原理计算的方法筛选出了Ca(BO2)2和Sr(BO2)2两个既具有大的双折射率又具有短的紫外截止边的双折射晶体。我们首次用提拉法生长出了晶体尺寸达50×41×22mm3的高质量、大尺寸Ca(BO2)2晶体。该晶体在紫外、深紫外双折射晶体的三个最重要性能上达到了“三最”:和已经报道的所有硼酸盐双折射晶体相比，Ca(BO2)2具有最大的双折射率、最短的紫外截止边和最大的激光损伤阈值。Ca(BO2)2的紫外截止边(169nm)比α-BBO的截止边(189nm)短了20nm，这使得它的应用波段能够扩展到深紫外区具有重要应用的193nm甚至是177.3nm。Ca(BO2)2在193nm的双折射率(△n=0.2471)是商业化深紫外双折射晶体MgF2的18.2倍，因此用它设计制作的深紫外器件可以更加功能多样、紧凑和高效。此外，Ca(BO2)2还具有很好的热学稳定性、抗潮解性和适中的硬度。基于Ca(BO2)2双折射晶体，我们在世界上首次设计和制作出了可用于深紫外区的格兰偏振器，并用193nm的激光对它的有效性进行了验证，测试表明它的消光比高达1.1×104，能够满足实际应用要求。Ca(BO2)2还有两个特别有利于实现产业化的重要优势:(1)Ca(BO2)2是同成分熔融化合物、常压下没有相变并且可以在开放体系中生长，因此更容易获得大尺寸高质量单晶;(2)Ca(BO2)2具有生长原料价格低廉、生长温度低耗能少以及生长周期短产率高的特点，因此具有更低的生产成本。以上分析表明，Ca(BO2)2极佳的综合性能使得它很有希望取代或部分取代α-BBO和MgF2，成为下一代紫外、深紫外双折射晶体材料。我们还对Sr(BO2)2晶体进行了实验研究，用提拉法生长出了高质量、大尺寸的单晶，性能测试表明该晶体也具有和Ca(BO2)2相当的大的双折率、短的紫外截止边和高的激光损伤阈值以及良好的物化性能，同样可以作为深紫外双折射晶体材料。 3.稀土硼酸盐双折射晶体和非线性光学晶体的设计、合成及性能研究 通过将不同的金属离子复合到一个化合物中并且调控金属与B的比例来丰富B-O功能基团的类型，我们成功地合成出了8种新的稀土硼酸盐。其中RbBaYB6O12和CsBaYB6O12具有大的双折射率和短的紫外截止边，是具有应用前景的紫外双折射晶体材料;Rb7SrY2B15O30和Rb7BaY2B15O30有适中的倍频效应和短的紫外截止边，是潜在的紫外非线性光学晶体。KSrYB2O6、RbSrYB2O6、RbBaYB2O6和CsBaYB2O6的结构中阴离子基团都是孤立的BO3并且排列比较一致，这有利于使晶体产生大的双折射率。 4.铝硅酸盐非线性光学晶体的设计、合成及性能研究 在一种化合物中引入不同的阴离子基团是一条设计合成非线性光学晶体的有效途径。基于这种策略，我们成功的将AlO4和SiO4两种阴离子基团复合，采用高温熔液法合成了首例铝硅酸盐非线性光学晶体Li3AlSiO5。该晶体具有独特的类六角钻石结构，其结构由LiO4，AlO4和SiO4四面体组成并且所有四面体排列的指向一致，因此它可用于研究含四面体化合物的结构-性能关系。Li3AlSiO5为非同成分熔融化合物，我们对晶体生长的助熔剂进行了初步探索，找到了两种合适的助熔剂。该晶体的紫外截止边可以达到深紫外区，倍频效应与KDP相当并在1064nm基频激光下能够实现相位匹配。同时，该晶体具有很好的化学稳定性和热学稳定性。这些优点表明Li3AlSiO5是一种具有潜在应用价值的紫外非线性光学晶体。