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LBO Crystal

三硼酸锂(LiB3O5 or LBO)是一种极佳的非线性光学晶体,由中国科学院物质结构研究所研究发明。该专利获国家知识产权局和世界知识产权组织颁发的1999年中国发明专利金奖。经专利权转让,现福晶公司独家享有生产,加工和销售LBO晶体的专利知识产权。 

专利号:美国4,826,283,日本2023845,中国CN88102084.2


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LBO晶体的主要优点:

      • 可透光波段范围宽(160—2600nm);
      • 光学均匀性好(δn≈10-6/cm),内部包络少;
      • 倍频转换效率较高(相当于KDP晶体的3倍);
      • 高损伤域值(脉宽为1.3ns的1053nm激光可达10GW/cm2);
      • 接收角度宽,离散角度小;
      • I,II类非临界相位匹配(NCPM)的波段范围宽;
      • 光谱非临界相位匹配(NCPM)接近1300nm。


LBO晶体的主要应用: 
     1. 二倍频方面:

         • 医用与工业用途的Nd:YAG激光;
         • 科研与军事用途的高功率Nd:YAG与Nd:YLF激光;
         • Nd:YVO4, Nd:YAG和Nd:YLF激光的泵浦;
         • 红宝石, Ti:Sappire与Cr:LiSAF激光。
     2. 三倍频方面:

        • Nd:YAG与Nd:YLF激光;
        • 光学参量放大器(OPA)与光学参量振荡器(OPO);
        • 高功率1340nm的Nd:YAP激光的二,三倍频。


LBO晶体产品规格:
     
• 严格的质量控制;
      • 可提供晶体尺寸达到30X30X30mm3,最大长度60mm;
      • 可提供晶体的防反射镀膜(增透膜)和重抛镀业务,并可提供温控炉及支架;
      • 备货充足;
      • 快速发货。

LBO晶体的生长和结构:
      
我司采用熔盐提拉法生长工艺生产三硼酸锂(LBO)晶体。LBO是一种点群mm2的斜方晶体,由连续的网状B3O7分子群组成,并有锂离子填充在分子间隙。B3O7分子群紧凑的结构使得LBO晶体难以包含任何杂质。

 

表1.  LBO晶体的物理和化学特性

晶体结构

斜方晶系, 空间群Pna21, 点群mm2

晶格参数

a=8.4473Å,b=7.3788Å,c=5.1395Å,Z=2

熔点

约834℃

莫氏(Mohs)硬度

6

密度

2.47g/cm3

热膨胀系数

αx=10.8x10-5/K, αy=-8.8x10-5/K,αz=3.4x10-5/K

吸收系数

<0.1%/cm at 1064nm

  

图1. LBO的透射曲线

LBO晶体的光学及非线性光学特性:

LBO 属负双轴晶体, 主轴X,Y,Z (nz>ny>nx) 分别与结晶轴a,c,b平行。 表2. 给出了LBO晶体在不同波长下的折射系数。折射系数与波长的关系可用塞米尔(Sellmeier) 方程式表示如下(λ单位:μm):


                                  
nx2=2.454140+0.011249/(λ2-0.011350)-0.014591λ2-6.60×10-5λ4
                                  ny2=2.539070+0.012711/(λ2-0.012523)-0.018540λ2+2.00×10-5λ4
                                  nz2=2.586179+0.013099/(λ2-0.011893)-0.017968λ2-2.26×10-5λ4 

 

 在1.064um光下,LBO晶体的有效SHG系数是KDP的3倍. 点群mm2的LBO晶体的非零非线性(光学)极化率 计算如下:

                                 d31=1.05±0.09pm/V
                                 d32=-0.98±0.09pm/V
                                 d33=0.05±0.006pm/V


表2. LBO晶体主要折射系数

  波长(nm)

  nx

  ny

  nz

  1064

  1.5656

  1.5905

  1.6055

  532

  1.5785

  1.6065

  1.6212

  355

  1.5973

  1.6286

  1.6444

 

LBO的光损伤阈值是常用无机非线性光学晶体中最高的。因此,它是高功率二次谐波发生器和其他非线性光学应用的最佳选择。表3将LBO与其他常用晶体在1.3ns脉宽 1053nm Nd:YLF激光下的光损伤阈值进行了比较。


表3. LBO晶体1053nm光损伤阈值
晶体能量密度(J/cm2)及功率密度(GW/cm2) 比率
 

晶体

能量密度(J/cm2

功率密度(GW/cm2

比率

KTP

KDP

BBO

LBO

6.0

10.9

12.9

24.6

4.6

8.4

9.9

18.9

1.0

1.83

2.15

4.10

 

室温下LBO的SHG及THG特性:
       LBO 可用于Nd:YAG和Nd:YLF激光二、三倍频的相位匹配,I类、II类匹配皆可。在室温下,二次谐波可达到I类匹配,在551nm至3000nm的较大波长范围内,最大的有效倍频系数在XY和XZ面上(见图2)为:

                                                     deff(I)=d32cosφ ----(Type in XY plane)
                                                     deff(I)=d31cos2θ+d32sin2θ ----(Type in XZ plane)

 
    LBO晶体最佳II类匹配的有效倍频系数在YZ和XZ面上(见图2)为:
                                                     deff(II)=d31cosθ ----(Type II in YZ plane)
                                                     deff(II)=d31cos2θ+d32sin2θ ----(Type II in XZ plane)

 

 

图2. LBO的SHG调谐曲线

 

表4. 1064nm光 I 类NCPM SHG特性

NCPM 温度

148℃

接受角

52 mrad·cm

离散角

0

温度线宽

4℃·cm

有效SHG系数

2.69×d36(KDP)

 

如图3所示,室温下LBO晶体可在X轴和Z轴方向分别获得I类和II类非临界相位匹配。而且,NCPM频率有可能在X轴或Z轴方向上使波长同时加倍。
图3还给出了LBO晶体在900nm-1700nm较宽基波范围内的温度调谐NCPM测量结果。Nd:YAG1064nm激光NCPM SHG特性在表4列出.

图3. NCPM温度调谐曲线

                                                                                                      
LBO晶体应用:
      • 对25W Antares锁模Nd:YAG激光(76MHz,80ps)腔外倍频可获得平均功率大于11W的532nm激光。
      • 医用多模调QNd:YAG激光倍频可输出20W的绿色光,输入功率越大输出功率越高。
      • LBO 能达到1300nm波长的温度调谐NCPM 和较大带宽的波谱NCPM。1300nm的Nd激光倍频输出红色光的性能较好。

采用LBO的OPO与OPA:
      LBO应用在OPO和OPA中具有较宽的调谐波长范围和较高功率的特点,是一种性能优异的非线性光学晶体。现已有应用308nmNd:YAG激光和XeCl受激准分子激光二、三倍频泵浦的光学参量放大器(OPA)和光学参量振荡器(OPO)的报道。LBO I, II类相位匹配及NCPM的特性为其在OPO和OPA领域的深入研究和应用提供了广阔的空间。图4提供了在室温下XY面上Nd:YAG激光二、三、四倍频泵浦的LBOI类OPO调谐曲线。图5是在YZ面和XZ面由Nd:YAG激光二、三倍频泵浦的LBOII类OPO调谐曲线。

图4. 类型Ⅰ OPO调谐曲线图                                5. 类型Ⅱ OPO调谐曲线

 

应用:
     
• OPO可由355nm波长光实现相当好的转换效率以及输出540-1030nm范围的波长。
      • 有报道I类LBO晶体OPA可由355nm波长光实现30% pump-to-signal 能量转换率。
      • II类NCPM  LBO晶体OPO可由308nmXeCl 受激准分子激光泵浦实现16.5%的能量转换率,根据不同的泵源和温度调谐可获得一定范围内的波长调谐。
      • 利用NCPM技术, I类LBO晶体OPA可在106.5℃-148.5℃温度下由532nm波长Nd:YAG激光倍频泵浦输出从750nm-1800nm的可调范围波长。
      • 以II类的NCPM LBO 作为光学参量发生器(OPG),I类临界相位BBO作为光学参量放大器(OPA),用4.8mJ, 30ps,354.7nm波长的激光泵浦,可获得较窄的线宽(0.15nm) 和较高的pump-to-signal 能量转换率(32.7%) 。通过提高LBO的温度和旋转BBO可得到波长从482.6nm-415.9nm 的光。


LBO晶体防反射镀膜(增透膜):

      我司供应下列特性的防反射镀膜
       • Nd:YAG激光倍频LBO双频反射镀膜(DBAR);
      低反射(1064nm波长 R<0.2%,532nm波长 R<0.5% );高光损伤阈值(双波段>500MW/cm2);功效长;
       • 可调激光倍频LBO宽频防反射镀膜(BBAR);
        提供规格可定制的其他镀膜。

 

LBO 品质保证规范:
       波前畸变 : 小于λ/8 @ 633nm;
       尺寸公差 : (W±0.1mm)x(H±0.1mm)x(L+0.5/-0.1mm) (L≥2.5mm)

                            (W±0.1mm)x(H±0.1mm)x(L+0.1/-0.1mm)  (L<2.5mm)

       通光孔径 :  90% 中央直径;
       50mW绿光检测无可见散射路径;
       平面度 : λ/8 @ 633nm;
       光洁度 : 10/5 to MIL-PRF-13830B;
      • 平行度 : 优于20 arc seconds;
      • 垂直度 : 5 arc minutes;
      • 角度偏差 : △θ≤0.25°,△φ≤0.25°;
      • 损伤阈值(GW/cm2) :  >10 for 1064nm, TEM00, 10ns, 10HZ (polished only)
                                             >1 for 1064nm, TEM00, 10ns, 10HZ (AR-coated)
                                             >0.5 for 532nm, TEM00, 10ns, 10HZ (AR-coated);
      • 品质保证期: 一年内正常使用。

 

    备注:
           • LBO晶体的潮解性较低,建议用户在干燥的环境中使用和保存晶体。
           • 勿损伤LBO晶体抛光面。
           • 客户如需定制LBO晶体,请提供激光器的主要性能参数,如脉冲能量,脉冲宽度,脉冲光重复频率率,连续光功率,光束直径,模式条件,发散角,可调波长范围等。

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