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三硼酸锂(LiB3O5,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现,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。LBO晶体及相关非线性器件由福建pp电子科技股份有限公司生长,加工和销售。
主要优点
pp电子科技可提供
表1. 化学和结构特性 |
|
晶体结构 |
斜方晶系,空间群 Pna21,点群 mm2 |
晶胞参数 |
a=8.4473 Å, b=7.3788 Å, c=5.1395 Å, Z=4 |
熔点 |
约834 ℃ |
莫氏硬度 |
6 Mohs |
密度 |
2.47 g/cm3 |
导热系数 |
3.5 W/m/K |
热膨胀系数 |
αx=10.8×10-5 /K,αy=-8.8×10-5 /K,αz=3.4×10-5 /K |
表2. 光学和非线性光学特性 |
|
透光波段 |
160-2600 nm |
SHG 相位匹配范围 |
551-2600 nm (TypeⅠ) 790-2150 nm (Type Ⅱ) |
热光系数 (/℃,λ in μm) |
dnx/dT=-9.3×10-6 dny/dT=-13.6×10-6 dnz/dT=(-6.3-2.1λ)×10-6 |
吸收系数 |
<0.1%/cm @ 1064 nm,< 0.3%/cm @ 532 nm |
接收角 |
6.54 mrad·cm (Ф,Type Ⅰ,1064 SHG) 15.27 mrad·cm (θ,Type Ⅱ,1064 SHG) |
温度带宽 |
4.7℃·cm (Type Ⅰ,1064 SHG) 7.5℃·cm (Type Ⅱ,1064 SHG) |
接收谱宽 |
1.0 nm·cm (Type Ⅰ,1064 SHG) 1.3 nm·cm (Type Ⅱ,1064 SHG) |
走离角 |
0.60° (Type Ⅰ,1064 SHG) 0.12° (Type Ⅱ,1064 SHG) |
NLO 系数 |
deff(Ⅰ)=d32cosФ (TypeⅠ,XY平面) deff(Ⅰ)=d31cos2θ+d32sin2θ (TypeⅠ,XZ平面) deff(Ⅱ)=d31cosθ (TypeⅡ,YZ平面) deff(Ⅱ)=d31cos2θ+d32sin2θ (TypeⅡ,XZ平面) |
非零非线性光学系数 |
d31=1.05±0.09 pm/V d32=-0.98±0.09 pm/V d33=0.05±0.006 pm/V |
Sellmeier 方程 (λ单位μm) |
nx2 = 2.454140 + 0.011249 / (λ2 - 0.011350) - 0.014591 λ2 - 6.60 × 10-5 λ4 ny2 = 2.539070 + 0.012711 / (λ2 - 0.012523) - 0.018540 λ2 + 2.00 × 10-4 λ4 nz2 = 2.586179 + 0.013099 / (λ2 - 0.011893) - 0.017968 λ2 - 2.26 × 10-4 λ4 |
图1. LBO的透射曲线
室温下LBO晶体的SHG及THG特性
LBO晶体可用于Nd:YAG和Nd:YLF激光的二、三倍频相位匹配,I类、II类匹配皆可。室温下,在551 nm至2600 nm的较大波长范围,XY面和XZ面(见图2)可实现有效倍频系数最大的I类匹配(有效二阶非线性光学系数见表2)。 LBO晶体最佳II类匹配(有效二阶非线性光学系数见表2)在YZ和XZ面上(见图2)。 据报道使用pp电子科技生产的LBO,Nd:YAG激光在脉冲模式和连续模式下获得的二次谐波转换率可分别大于70%和大于30%,三次谐波转换率大于60%。
图 2. LBO晶体 SHG调谐曲线
LBO晶体二、三倍频的应用
LBO晶体非临界相位匹配
如表3所示,LBO晶体的非临界相位匹配(Non-Critical Phase Matching,NCPM)具有无走离、接受角度宽、有效系数大等特点,充分利用这一特性可使LBO发挥最佳功效。使用非临界相位匹配LBO晶体的Nd:YAG激光在脉冲模式下获得的二次谐波转换率大于70%,在连续模式下获得的二次谐波转换率大于30%,且光束质量好,输出稳定。 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。 pp电子科技为配合LBO晶体非临界相位匹配的应用开发了一款加热炉及温度控制器,详细的技术指标请翻阅第68页。
表3. 1064nm光I类NCPM的SHG特性 |
|
NCPM温度 |
148 ℃ |
接收角 |
52 mrad•cm |
走离角 |
0 |
温度带宽 |
4 ℃•cm |
有效SHG系数 |
2.69×d36(KDP)=1.18 pm/V |
LBO晶体的OPO和OPA
LBO晶体的OPO和OPA
LBO晶体具有较宽的调谐波长范围和较高的抗损伤阈值,是一种适合于光学参量放大器(OPA)和光学参量振荡器(OPO)应用的优良非线性光学晶体。用二、三倍频的Nd:YAG激光器和308 nm XeCl准分子激光器做泵浦源的OPA和OPO多有报道。LBO晶体的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为XY面上Nd:YAG激光二、三、四倍频泵浦的LBO晶体室温I类OPO理论计算调谐曲线。图5为在XZ面上Nd:YAG激光二、三倍频泵浦的LBO II类OPO调谐曲线。
图 4. LBO晶体 I类OPO调谐曲线 图 5. LBO晶体 II类OPO调谐曲线
LBO晶体在OPO和OPA中的应用
LBO晶体的光谱非临界相位匹配
LBO晶体不仅能够获得角度变化的非临界相位匹配(NCPM),还可以获得光谱变化的非临界相位匹配(SNCPM)。如图2所示,其相位匹配转折点位于λ1=1.31μm,θ=86.4°,φ=0°(I 类)和 λ2=1.30 μm,θ=4.8°,φ=0°(II类);以上两个位置的相位匹配具有较大的光谱接收Δλ;计算所得的Δλ,在λ1处为57 nm·cm,在λ2处为74 nm·cm,均大于其他NLO晶体的Δλ。LBO晶体的这些光谱特性非常适用于约1.3 μm 的宽频相干辐射倍频,如某些二极管激光器及某些不带有线宽变窄组件的OPA/OPO输出。
增透膜
LBO晶体规格指标
表4. LBO产品指标 |
|
尺寸公差 |
(W±0.1 mm)×(H±0.1 mm)×(L+0.5/-0.1 mm) (L≥2.5 mm) (W±0.1 mm)×(H±0.1 mm)×(L+0.1/-0.1 mm) (L<2.5 mm) |
有效通光孔径 |
中心区域直径的90% |
平面度 |
λ/8 @ 633 nm |
透射波前畸变 |
λ/8 @ 633 nm |
光洁度 |
10/5 参考MIL-PRF-13830B标准 |
平行度 |
20″ |
垂直度 |
15′ |
角度偏差 |
Δθ≦0.25°, ΔФ≦0.25° |
倒角 |
≦0.2 mm×45° |
崩边 |
≦0.1 mm |
损伤阈值 |
>10 GW/cm2 @ 1064 nm,10 ns,10 Hz(抛光片) >1 GW/cm2 @ 1064 nm,10 ns,10 Hz(增透膜) >0.5 GW/cm2 @ 532 nm,10 ns,10 Hz(增透膜) |
品质保证期 |
一年(正常使用) |
备注:
1959年,年轻帅气的物理学家西奥多·梅曼,利用一颗粉红色的红宝石晶体,制造出被称为“光学激射器”的东西。1960年5月,经过一番神操作,让他醉心的这台机器终于发射出了一束高亮度、高强度的单色红光脉冲,籍籍无名的他从此一战成名。这道自然界原先没有的光,彻底改变了历史的进程,激光从此登上了历史舞台。固体激光器由于具有体积小、效率高、寿命长、光束质量好、无毒、不需要更换特殊气体、价格便宜等许多优点,成为激光界的宠儿。但此后相当长的一段时间,囿于非线性倍频材料的缺乏,固体激光器很难将红外光直接高效地倍频到可见光及更短的紫外光波段,这让许多科学家抓狂。
世界第一台激光器制造者-西奥多·梅曼
转机出现在二十世纪70年代,福建物质结构研究所的陈创天教授领衔的课题组提出了后来非常著名的阴离子基团理论,该理论基本意思是说,非线性光学效应是一种局域化的效应,是组成晶体的基本单元——阴离子基团的微观系数的几何迭加,阴离子基团的微观倍频系数可以通过阴离子基团的局域化、量子化学轨道理论,通过二级微扰理论算出。说白了就是说,阴离子基团是非线性光学效应主要贡献者,你阳离子不要过来跟我抢功。正是有这个阴离子基团理论的加持,福建物质结构研究所相继发明了BBO晶体、LBO晶体、KBBF等晶体。其中的LBO晶体,可以高效地对Nd基激光系统进行二倍频、三倍频,也可用于光学参量啁啾放大,输出高功率短脉冲激光。这些被誉为“中国牌”晶体的发明,让国际激光界在非线性光学晶体材料领域对中国顶礼膜拜,也让固体激光技术一路狂奔,绝尘而去。
陈创天院士(1937~2018)
跌宕人生,凤凰涅槃
1988年福建物质结构研究所成立了福建晶体技术开发公司(1990年正式挂牌成立,系福建pp电子科技股份有限公司前身),把LBO、BBO晶体市场化重任托付给了pp电子科技。在pp电子科技的精心调教下,LBO晶体从此开始了它的开挂人生,它一路上攻城拔寨,在紫外倍频领域硬是闯出了一番天地。也正是有LBO、BBO这两块晶体担纲,pp电子科技得以于2008年在深圳交易所中小板成功上市。当然,在以后的LBO晶体发展道路上,也遇到了不少挫折和困难。由于LBO晶体是非一致熔融化合物,需要用助熔剂来生长,起初用的助熔剂体系比较粘稠,长出的晶体质量微观缺陷很多,不但利用率极低,而且某些性能达不到客户的要求,交期经常多次延误,以至于客户开始失去耐心。在有可能流失大量客户的巨大压力下,pp电子公司及时组织研发团队,对原先工艺进行了大胆的改进、创新,最终让LBO晶体重获新生,守住了市场。经此一役,pp电子公司更加重视研发,不断地在LBO生长和加工方面投入更多研发资源,不断追求极致,妥妥地把竞争对手甩了好几条街。
战功赫赫,继往开来
正是因为LBO晶体拥有如此优秀的性能,加上物构所和pp电子科技在该晶体生长和加工上的不断改进创新,它因此斩获众多奖项。
1990年,LBO晶体获中国科学院科技进步一等奖,同时被美国激光杂志评为1989年激光十大产品之一
1991年,LBO晶体获国家发明一等奖
1999年,LBO晶体获中国国家知识产权局、世界知识产权组织颁发的“中国发明专利金奖”
2018年获工信部制造业单项冠军产品
当然,pp电子科技也不会止步于此,她必将践行“团结、奋进、求实、创新”的公司文化精神,不断提升创新,让LBO这块老晶体重新焕发出新的光芒。
产品介绍
三硼酸锂(LiB3O5,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现,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。LBO晶体及相关非线性器件由福建pp电子科技股份有限公司生长,加工和销售。
主要优点
pp电子科技可提供
表1. 化学和结构特性 |
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晶体结构 |
斜方晶系,空间群 Pna21,点群 mm2 |
晶胞参数 |
a=8.4473 Å, b=7.3788 Å, c=5.1395 Å, Z=4 |
熔点 |
约834 ℃ |
莫氏硬度 |
6 Mohs |
密度 |
2.47 g/cm3 |
导热系数 |
3.5 W/m/K |
热膨胀系数 |
αx=10.8×10-5 /K,αy=-8.8×10-5 /K,αz=3.4×10-5 /K |
表2. 光学和非线性光学特性 |
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透光波段 |
160-2600 nm |
SHG 相位匹配范围 |
551-2600 nm (TypeⅠ) 790-2150 nm (Type Ⅱ) |
热光系数 (/℃,λ in μm) |
dnx/dT=-9.3×10-6 dny/dT=-13.6×10-6 dnz/dT=(-6.3-2.1λ)×10-6 |
吸收系数 |
<0.1%/cm @ 1064 nm,< 0.3%/cm @ 532 nm |
接收角 |
6.54 mrad·cm (Ф,Type Ⅰ,1064 SHG) 15.27 mrad·cm (θ,Type Ⅱ,1064 SHG) |
温度带宽 |
4.7℃·cm (Type Ⅰ,1064 SHG) 7.5℃·cm (Type Ⅱ,1064 SHG) |
接收谱宽 |
1.0 nm·cm (Type Ⅰ,1064 SHG) 1.3 nm·cm (Type Ⅱ,1064 SHG) |
走离角 |
0.60° (Type Ⅰ,1064 SHG) 0.12° (Type Ⅱ,1064 SHG) |
NLO 系数 |
deff(Ⅰ)=d32cosФ (TypeⅠ,XY平面) deff(Ⅰ)=d31cos2θ+d32sin2θ (TypeⅠ,XZ平面) deff(Ⅱ)=d31cosθ (TypeⅡ,YZ平面) deff(Ⅱ)=d31cos2θ+d32sin2θ (TypeⅡ,XZ平面) |
非零非线性光学系数 |
d31=1.05±0.09 pm/V d32=-0.98±0.09 pm/V d33=0.05±0.006 pm/V |
Sellmeier 方程 (λ单位μm) |
nx2 = 2.454140 + 0.011249 / (λ2 - 0.011350) - 0.014591 λ2 - 6.60 × 10-5 λ4 ny2 = 2.539070 + 0.012711 / (λ2 - 0.012523) - 0.018540 λ2 + 2.00 × 10-4 λ4 nz2 = 2.586179 + 0.013099 / (λ2 - 0.011893) - 0.017968 λ2 - 2.26 × 10-4 λ4 |
图1. LBO的透射曲线
室温下LBO晶体的SHG及THG特性
LBO晶体可用于Nd:YAG和Nd:YLF激光的二、三倍频相位匹配,I类、II类匹配皆可。室温下,在551 nm至2600 nm的较大波长范围,XY面和XZ面(见图2)可实现有效倍频系数最大的I类匹配(有效二阶非线性光学系数见表2)。 LBO晶体最佳II类匹配(有效二阶非线性光学系数见表2)在YZ和XZ面上(见图2)。 据报道使用pp电子科技生产的LBO,Nd:YAG激光在脉冲模式和连续模式下获得的二次谐波转换率可分别大于70%和大于30%,三次谐波转换率大于60%。
图 2. LBO晶体 SHG调谐曲线
LBO晶体二、三倍频的应用
LBO晶体非临界相位匹配
如表3所示,LBO晶体的非临界相位匹配(Non-Critical Phase Matching,NCPM)具有无走离、接受角度宽、有效系数大等特点,充分利用这一特性可使LBO发挥最佳功效。使用非临界相位匹配LBO晶体的Nd:YAG激光在脉冲模式下获得的二次谐波转换率大于70%,在连续模式下获得的二次谐波转换率大于30%,且光束质量好,输出稳定。 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。 pp电子科技为配合LBO晶体非临界相位匹配的应用开发了一款加热炉及温度控制器,详细的技术指标请翻阅第68页。
表3. 1064nm光I类NCPM的SHG特性 |
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NCPM温度 |
148 ℃ |
接收角 |
52 mrad•cm |
走离角 |
0 |
温度带宽 |
4 ℃•cm |
有效SHG系数 |
2.69×d36(KDP)=1.18 pm/V |
LBO晶体的OPO和OPA
LBO晶体的OPO和OPA
LBO晶体具有较宽的调谐波长范围和较高的抗损伤阈值,是一种适合于光学参量放大器(OPA)和光学参量振荡器(OPO)应用的优良非线性光学晶体。用二、三倍频的Nd:YAG激光器和308 nm XeCl准分子激光器做泵浦源的OPA和OPO多有报道。LBO晶体的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为XY面上Nd:YAG激光二、三、四倍频泵浦的LBO晶体室温I类OPO理论计算调谐曲线。图5为在XZ面上Nd:YAG激光二、三倍频泵浦的LBO II类OPO调谐曲线。
图 4. LBO晶体 I类OPO调谐曲线 图 5. LBO晶体 II类OPO调谐曲线
LBO晶体在OPO和OPA中的应用
LBO晶体的光谱非临界相位匹配
LBO晶体不仅能够获得角度变化的非临界相位匹配(NCPM),还可以获得光谱变化的非临界相位匹配(SNCPM)。如图2所示,其相位匹配转折点位于λ1=1.31μm,θ=86.4°,φ=0°(I 类)和 λ2=1.30 μm,θ=4.8°,φ=0°(II类);以上两个位置的相位匹配具有较大的光谱接收Δλ;计算所得的Δλ,在λ1处为57 nm·cm,在λ2处为74 nm·cm,均大于其他NLO晶体的Δλ。LBO晶体的这些光谱特性非常适用于约1.3 μm 的宽频相干辐射倍频,如某些二极管激光器及某些不带有线宽变窄组件的OPA/OPO输出。
增透膜
LBO晶体规格指标
表4. LBO产品指标 |
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尺寸公差 |
(W±0.1 mm)×(H±0.1 mm)×(L+0.5/-0.1 mm) (L≥2.5 mm) (W±0.1 mm)×(H±0.1 mm)×(L+0.1/-0.1 mm) (L<2.5 mm) |
有效通光孔径 |
中心区域直径的90% |
平面度 |
λ/8 @ 633 nm |
透射波前畸变 |
λ/8 @ 633 nm |
光洁度 |
10/5 参考MIL-PRF-13830B标准 |
平行度 |
20″ |
垂直度 |
15′ |
角度偏差 |
Δθ≦0.25°, ΔФ≦0.25° |
倒角 |
≦0.2 mm×45° |
崩边 |
≦0.1 mm |
损伤阈值 |
>10 GW/cm2 @ 1064 nm,10 ns,10 Hz(抛光片) >1 GW/cm2 @ 1064 nm,10 ns,10 Hz(增透膜) >0.5 GW/cm2 @ 532 nm,10 ns,10 Hz(增透膜) |
品质保证期 |
一年(正常使用) |
备注: