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BBO Crystal

BBO(β相偏硼酸钡晶体,β-BaB2O4)是由中国科学院物质结构研究首次发现和研制的新型紫外倍频晶体,由福晶公司进行生产和销售,福晶公司享有熔盐法生产BBO晶体的专利知识产权。


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BBO晶体的主要优点:
      •   可实现相位匹配的波段范围宽(409.6-3500nm);
      •   可透过波段范围宽(190-3500nm);
      •   倍频转换效率高(相当于KDP晶体的6倍);
      •   光学均匀性好(δn≈10-6/cm);
      •   高损伤阈值(100ps脉宽的1064nm10GW/cm2);
      •   温度接收角宽(55℃左右)。

 

BBO晶体的主要应用:
      •   Nd:YAG和Nd:YLF激光的二、三、四、五倍频;
      •   染料激光的倍频,三倍频和混频;
      •   Ti:Sapphire和Alexandrite激光的二、三、四倍频;
      •   光学参量放大器(OPA)与光学参量振荡器(OPO);
      •   氩离子,红宝石和Cu蒸汽激光器的倍频;
      •   在全固态可调激光,超快脉冲激光,深紫外激光等高、精、尖激光技术领域的研发领域。

 
服务项目:
      作为最早的BBO晶体供应商,福晶公司以雄厚的实力长期提供以下服务:
      •   严格的质量控制;
      •   可提供晶体长度从0.005mm-25mm,尺寸可达到15X15X15mm3;

      •   可提供晶体的镀膜(保护膜,增透膜)和重抛镀业务,并可提供支架;
      •   最有力的技术支持;
      •   无可争议的价格和数量折扣;
      •   备货充足;
      •   快速发货。
      为了支持最先进激光技术领域的研发,福晶还提供全固体可调激光器、超快脉冲激光器、DUV激光器等BBO设备。

BBO晶体的主要性能:
      BBO 是一种负单轴晶体,它的o-ray折射系数(no)要比e-ray(ne)折射系数大,可通过Sellmeier方程来计算(λ in μm):

                               no2=2.7359+0.01878 / (λ2-0.01822) -0.01354 λ2
                               ne2=2.3753+0.01224 / (λ2-0.01667) -0.01516 λ2

     通过角度调谐可获得I、II类的相位匹配。
     BBO晶体有效倍频系数由下列方程式得出:

                              I类: deff=d31sinθ+(d11cos3φ-d22sin3φ)cosθ
                             II类: deff=(d11sin3φ+d22cos3φ)cos2θ

     θ 和φ分别指向极坐标中的z(=c)和x(=a)


表1. BBO晶体的结构和物理特性

晶体结构

三方晶系,空间群 R3c

晶格参数

a=b=12.532Å, c=12.717Å, Z=6

熔点

约1095℃

相变点

925±5℃

光学均匀性

δn≈10-6/cm

莫氏(Mohs)硬度

4

密度

3.85 g/cm3

吸收系数

<0.1%/cm(at 1064nm)

比热

1.91J/cm3 xK

潮解性

热膨胀系数

α11=4 x 10-6/K; α33=36x 10-6/K

热导率

1.2W/m/K(⊥c); 1.6W/m/K(∥c)


表2. BBO晶体线性光学特性 

透光范围

190-3500nm

折射系数
at 1064 nm
at 532 nm
at 266 nm


ne=1.5425,no=1.6551

ne=1.5555,no=1.6749
ne=1.6146,no=1.75711

热光系数

dno/dT=-16.6x 10-6/℃
dne/dT=-9.3x 10-6/℃

 

表3. BBO晶体非线性光学特性

相位匹配输出波长

190-1750nm

非线性光学系数

d11=5.8 x d36(KDP)
d31=0.05 x d11
d22<0.05 x d11

光电系数

γ22=2.7pm/V

半波电压

7KV (at 1064 nm,3x3x20mm3)

损伤阈值
at 1064nm
at 532nm

0.5GW/cm2 (10ns, 10HZ, AR-coated)
0.3GW/cm2 (10ns, 10HZ, AR-coated)


BBO晶体在Nd:YAG激光器中的应用: 
       BBO晶体在Nd:YAG激光二、三、四倍频上的性能优异,是213nm光五倍频的最佳选择。二倍频的转换效率大于70%,三倍频60%,四倍频50%,213nm光五倍频的输出功率可达200mW。表4是Nd:YAG激光下BBO和KD*P的性能比较。表5是BBO从二倍频到五倍频的基本非线性光学特性比较。
       BBO对高功率Nd:YAG激光腔内倍频的效果也非常理想。使用福晶防反射镀膜BBO的声光调QNd:YAG激光器腔内倍频可获得15W平均功率的532nm光。 使用600mW倍频输出的锁模Nd:YLF激光器泵浦,Brewster斜角BBO腔外倍频可输出66mW的266nm的光。

 

表 4. BBO and KD*P的谐波效果比较

晶体

1w(mJ)

SHG(mJ)

THG(mJ)

4HG(mJ)

5HG(mJ)

BBO

220

105

39

18.5

5

600

350

140

70

20

  KD*P

600

270

112.5

45

/

 

表 5. BBO 晶体的NLO特性

SHG

THG

4HG

5HG

有效NLO系数 (d36(KDP))

5.3

4.9

3.8

3.4

接受角(mrad·cm)

1.0

0.5

0.3

0.2

走离角 (degree)

3.2

4.1

4.9

5.5

 

由于BBO具有较小的接受角和较大的走离角,因此获得理想的转换效率的关键是使用较好质量的基频光(具有小的发散角,较好的模式条件等)。我们不推荐对基频光光束进行聚焦。

BBO晶体应用于可调谐激光:
1. 染料激光
     用I类BBO可输出二次谐波效率超过10%,波长大于206nm的紫外线(205nm-310nm)。用150KW染料激光器泵浦的XeCl激光可获得36%的转换率,是ADP的4-6倍。最短204.97nmSHG波长光得到的转换率约为1%。
福晶生产的BBO广泛应用于染料激光器中。用BBO将780-950nm和248.5nm光(495nm染料激光的SHG输出)进行I类和频,可输出从188.9nm-197nm的最短紫外光,其中193nm激光的脉冲能量为95mJ,189nm激光的脉冲能量为8mJ。

2. 超快脉冲激光
     在超快脉冲激光的二、三倍频中,BBO的性能要大大优于KDP和ADP。目前,福晶可提供的BBO晶体最小厚度为0.01mm。在相速度匹配和群速度匹配方面,用一个小型BBO晶体可达到10fs激光脉冲的有效倍频。

3. 钛宝石激光和Alexandrite激光
     使用BBO晶体的Alexandrite激光的I类二次谐波可输出波长范围360nm-390nm的紫外光,其中378nm波长激光的脉冲能量为105mJ(31%的二次谐波转换率),三次谐波可输出波长范围244nm-259nm,脉冲能量7.5mJ(24%的混频转换率)的紫外光。
钛宝石激光可获得大于50%的二次谐波转换效率,以及更高的三次和四次谐波转换效率。

4.  氩离子激光和铜蒸气激光
     在应用腔内倍频技术的全线功率为2W的氩离子激光中,Brewster斜切BBO晶体可获得波长范围在228.9nm-257.2nm的36线深紫外光,最大功率33mW(波长250.4nm)。
5106.nm的铜蒸气激光的二次谐波输出的紫外线功率可达230mW(波长255.3nm),最大能量转换率为8.9%。

BBO晶体在OPO和OPA中的应用:

     BBO在OPO和OPA中的功能非常强,可产生从紫外线到红外线的一系列可调谐激光。图1和图2分别是I类和II类BBO在OPO、OPA中的调谐角度的计算结果。

 

图1. I类OPO调谐曲线                              图2. II类OPO调谐曲线

 

1. 532nm泵浦OPO
    一个7.2mm长的I类BBO晶体可获得波长范围680 nm-2400nm的OPO输出,峰值功率1.6MW,能量转换率可达30%。输入泵浦能量为532nm波长40mJ,脉冲宽度为75ps。较长的BBO晶体可获得更高的能量转换率。
2. 355nm泵浦OPO和OPA
    用Nd:YAG激光泵浦,使用BBO的OPO的输出能量超过100mJ,波长范围400nm-2000nm。使用福晶BBO晶体的OPO系统输出的可调谐波长范围在400nm-3100nm,确保了波长430nm-2000nm部分的能量转换率在18%-30%之间。
II类BBO可用来减小线宽。我们用BBO获得了0.05nm的线宽和12%的转换率。但是,在II类相位匹配中,一个较长的BBO晶体(>15mm)通常被用来减小起振阈值。
用一个355nm波长的皮秒Nd:YAG激光来泵浦使用BBO的OPA获得的脉冲具有窄带(<0.3nm),能量高(>200μJ)和可调谐性宽(400nm-2000nm)的特点。这种OPA可获得超过50%的最大能量转换率,因此在很多方面都比通常的染料激光性能优越,如转换率高,可调谐 范围宽,易维护,设计简单,操作简便等。 另外,使用BBO的OPO或二次谐波BBO的OPA可获得205nm-3500nm范围的连续激光。
3. 其他
     对被308nm波长的XeCl准分子激光泵浦的I类BBO晶体进行角度调谐可获得一个信号波长范围422nm-477nm的可调OPO。用266nm波长的Nd:YAG激光的四次谐波对使用BBO的OPO泵浦可输出一个完整的330nm -1370nm的波长范围。
用615nm波长,1mJ,80fs的染料激光泵浦使用两块BBO晶体的OPA,可获得大于50μJ (最大130μJ)的能量,小于200fs的超短波脉冲, 800nm-2000nm的波长范围.
最佳BBO晶体形状和切割
我们会根据客户的要求和具体使用情况,来选择最合适的BBO晶体形状和尺寸,以达到最佳的转换效率。
我们生产的BBO设备能够很好地体现晶体的切割方向和尺寸特征。方向完全由非线性光学过程来决定,例如,对1064nm波的I类倍频,BBO的切割角为θ=22.8°,φ=0°。晶体尺寸通过三维尺寸来描述,如W x H x L(mm3)。为了选择一个最合适的宽度(W),应该首先考虑影响晶体的光束直径和波长可调谐范围。 最佳的晶体高度(H)应该比光束直径稍大(如1-2mm)。虽然BBO晶体通常的设计长度(L)为7mm,但是根据使用情况来选择最佳值仍为上策。 例如,OPO或OPA使用的晶体长度为12mm,而超短波脉冲激光的二次、三次谐波需要的晶体长度不超过1mm。
我们对不同的应用情况推荐相对应的晶体尺寸和切割,列表如下(假定光束直径对晶体的影响为φ2mm- φ3mm):

1.Nd:YAG激光谐波效果

1064nm

Type I, 4x4x7mm,22.8°-cut

532nm

Type I, 4x4x7mm,31.3°-cut 
Type II, 4x4x7mm,38.6°-cut

355nm

Type I, 4x4x7mm,47.68°-cut

266nm

Type I, 4x4x7mm,51.1°-cut

213nm

2.Nd:YAG激光谐波泵浦的OPO和OPA

532nm

Type I, 4x4x12-15mm,21°-cut

680-2600nm

355nm

Type I, 6x4x12-15mm,30°-cut
Type II, 7x4x15-20mm,37°-cut

410-2600nm

266nm

Type I, 6x4x12-15mm,39°-cut

295-2600nm

3.染料激光倍频

670-530nm

Type I, 6x4x7mm,40°-cut

335-265nm

600-440nm

Type I, 8x4x7mm,55°-cut

300-220nm

444-410nm

Type I, 8x4x7mm,80°-cut

222-205nm

4.钛宝石激光谐波

700-1000nm

Type I, 7x4x7mm,28°-cut

350-500nm

Type I, 8x4x7mm,42°-cut

240-330nm

Type I, 8x4x7mm,66°-cut

210-240nm

5.Alexandrite激光二、三倍频
   

720-800nm

Type I, 4x4x7mm,31°-cut

360-400nm

Type I, 7x4x7mm,48°-cut

240-265nm

6.Brewster斜切BBO的氩离子激光腔内倍频

514nm

Type I, 4x4x7mm,51°B-cut

257nm

488nm

Type I, 4x4x7mm,55°B-cut

244nm

7.铜蒸气激光倍频

510nm

Type I, 4x4x7mm,50°-cut

255nm

578nm

Type I, 4x4x7mm,42°-cut

289nm

 

BBO晶体镀膜:
1. 防护镀膜(P-coating)
    由于BBO具有较低的潮解性,因此潮湿的空气易使抛光的BBO晶体表面变得模糊。我们使用了一种有效的防护镀膜(P-coating)来防止晶体受潮。此产品具有如下特点:
   •   使用寿命长
    95%湿度下可使用至少6个月,较低湿度(如80%)下的使用寿命更长。
   •   高损伤阈值
   1064nm波长,30ps脉冲宽度,大于7GW/cm2 ;1064nm波长,10ns脉冲宽度,重复率10Hz,0.5GW/cm2
   •   传输效果好
    在200 nm-3500 nm波长范围内,镀膜晶体的传输效果优于未镀膜的晶体。

2. 防反射镀膜 (AR-coating)
   我们提供1064nm和532nm波的单频和双频防反射镀膜BBO。双频防反射镀膜具有低反射比(1064nm波小于0.2%,532nm波小于0.4%),高损伤阈值, 防潮,使用寿命长的特点。我们还提供其他波长的防反射镀膜。

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

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

      •   通光孔径: 大于 90% 中央直径
      •   平面度: λ/8 @ 633nm
      •   光洁度 : 10/5 to MIL-PRF-13830B
      •   平行度 : 优于20秒
      •   垂直度 : 5 分
      •   角度偏差 : △θ≤0.25°,△φ≤0.25°
      •   品质保证期: 一年内正常使用。

备注:
      •   BBO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。
      •   勿损伤晶体抛光面。
      •   BBO的接收角较小,请小心调节角度。
      •   客户如需定制BBO晶体,请提供激光器的主要性能参数,如脉冲能量,脉冲宽度,脉冲重复频率,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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