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β-BBO 晶体 - β 相偏硼酸钡

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  • β-BBO 晶体 - β 相偏硼酸钡

  • β相偏硼酸钡晶(β-BaB2O4,BBO)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。
产品描述
福晶课堂
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产品介绍

β相偏硼酸钡晶体(β-BaB2O4,BBO)是由中国科学院物质结构研究所首次发现和研究的新型紫外倍频晶体,由福晶科技进行生产和销售。

 

主要优点

  • 相位匹配波段宽(409.6-3500 nm)  
  • 可透过波段范围宽(190-3500 nm)  
  • 倍频转换效率高(相当于KDP晶体的6倍)  
  • 高损伤阈值  
  • 光学均匀性好δn≈10-6 /cm  
  • 温度接收角宽(~55 ℃)  
  • 用于Nd:YAG激光的二倍、三倍、四倍以及五倍频中  
  • 广泛应用于超快激光的谐波产生

 
福晶科技可提供

  • 严格的质量控制
  • 晶体最薄可到0.005 mm,最长可达25 mm,最大尺寸为15×15×15 mm3
  • 增透膜(AR-coating)或保护膜(P-coating)镀制,支架装配和重抛镀服务
  • 库存充足
  • 快速交付(抛光片交期15个工作日,镀膜产品交期20个工作日)

基本特性
      

表1. 化学和结构特性

晶体结构

三方晶系,空间群 R3c

晶胞参数

a=b=12.532 Å,c=12.717 Å,Z=6

熔点

约1095 ℃

莫氏硬度

4 Mohs

密度

3.85 g/cm3

热导率

1.2 W/m/K(⊥c);1.6 W/m/K(∥c)

热膨胀系数

α11=4×10-6 /K,α33= 36×10-6 /K

 

 

表2. 光学和非线性光学特性 

透光波段

190-3500 nm

SHG 相位匹配范围

409.6-3500 nm(TypeⅠ)      525-3500 nm(TypeⅡ)

热光系数

dno/dT=-16.6×10-6 /℃

dne/dT=-9.3×10-6 /℃

吸收系数

<0.1%/cm @ 1064 nm, <1%/cm @ 532 nm

接收角

0.8 mrad·cm     (θ, TypeⅠ,1064 SHG)

1.27 mrad·cm    (θ, TypeⅡ,1064 SHG)

温度带宽

55 ℃·cm   

接收谱宽

1.1 nm·cm    

走离角

2.7°     (TypeⅠ,1064 SHG)

3.2°     (TypeⅡ,1064 SHG)

非线性光学系数

deff(Ⅰ)=d31sinθ+(d11cos3Ф-d22sin3Ф)cosθ

deff(Ⅱ)=(d11sin3Ф+d22cos3Ф)cos2θ    

非零非线性光学

系数

d11=5.8×d36(KDP)=2.55 pm/V

d31=0.05×d11

d22<0.05×d11 

Sellmeier 方程

 (λ单位μm)

    no= 2.7359 + 0.01878 / (λ2 - 0.01822) - 0.01354 λ2

    ne2 = 2.3753 + 0.01224 / (λ2 - 0.01667) - 0.01516 λ2

电光系数

γ22=2.7 pm/V

半波电压

7 KV(@ 1064 nm,3×3×20 mm3

电阻率

˃1011 ohm•cm

相对介电系数

ɛs11o: 6.7

ɛs33o: 8.1

Tanδ<0.001

 

BBO是一种负单轴晶体,它的o光折射率(no)比e光(ne)折射率大;通过角度调谐可获得I、II类相位匹配,其SHG相位匹配如图2所示。

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,目前仍是五倍频输出213nm光的最佳选择之一。二倍频的转换效率大于70%,三倍频60%,四倍频50%,五倍频输出213 nm的功率可达200 mW。
  BBO晶体也是理想的高功率Nd:YAG激光腔内倍频晶体。使用福晶科技生产的镀增透膜BBO晶体,在声光调Q Nd:YAG激光器腔内倍频可获得平均功率超过15 W的532 nm光。以锁模Nd:YLF激光器倍频输出的600 mW光为泵浦源,端面布儒斯特角切割的BBO晶体腔外倍频可获得66 mW的263 nm光。
  由于BBO晶体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)。我们不建议对基频光光束进行聚焦。

在Nd:YAG激光器中的应用

1. 染料激光器

  用I类BBO晶体可高效输出二次谐波效率>10%,波长≥206nm的紫外光(205-310 nm),对XeCl激光泵浦的峰值功率为150 KW的染料激光器倍频,可获得36%的转换率(比ADP高大约4-6倍)。二次谐波获得的最短204.97 nm 光的转换率约为1%。
  福晶生产的BBO晶体广泛应用于染料激光器中。用BBO将780-950 nm和248.5 nm光(495 nm染料激光的SHG输出)进行I类和频,可获得最短188.9-197 nm的紫外光,其中激光脉冲能量分别为95 mJ @ 193 nm和8 mJ @ 189 nm。

2. 超短脉冲激光器

  在超短脉冲激光的二、三倍频应用中,BBO晶体的性能优于KDP和ADP晶体。对于此类应用,目前福晶可提供的BBO晶体最小厚度为0.005 mm。在同时满足相速度和群速度匹配情况下,用一个薄BBO晶体可达到对10 fs激光脉冲的有效倍频。

3. 钛宝石激光器和翠绿宝石激光器
  使用BBO晶体,翠绿宝石激光的I类二次谐波可输出波长范围360 nm-390 nm的紫外光,其中378 nm波长激光的脉冲能量为105 mJ(31%的二次谐波转换率),三次谐波可输出波长范围244-259 nm,脉冲能量7.5 mJ(24%的混频转换率)的紫外光。
  对钛宝石激光的二次谐波转换效率可高于50%,且其三次和四次谐波转换效率也较高。

4. 氩离子激光器和铜蒸气激光器
  在全线输出功率为2 W的氩离子激光器中采用腔内倍频技术,端面布儒斯特角切割的BBO晶体可获得波长范围在228.9-257.2 nm的36条深紫外光,最大功率33 mW @ 250.4 nm。
  510.6 nm的铜蒸气激光的二次谐波平均输出功率可达230 mW @ 255.3 nm,最大能量转换率为8.9%。


在OPO和OPA中的应用

  BBO晶体在OPO和OPA中起着重要作用,可产生从紫外到近红外的一系列可调谐相干激光。图3和图4分别是I类和II类BBO晶体在OPO、OPA中的调谐角度的计算结果。

1.532 nm泵浦的OPO

  采用输入能量40 mJ,脉冲宽度75 ps的532 nm泵浦光,在一个7.2 mm长的I类BBO晶体可获得波长范围680-2400 nm的OPO输出,峰值功率1.6 MW,能量转换率可达30%。BBO晶体越长,能量转换率越高。

2.355 nm泵浦的OPO和OPA

  以355nm激光做泵浦源,使用福晶科技BBO晶体的OPO系统输出的可调谐波长范围在400-3100 nm,并且波长430-2000 nm范围的能量转换率在18%-30%之间。
  II类BBO可用来减小线宽,用BBO可获得0.05 nm的线宽和12%的可用转换率。在II类相位匹配中,通常会用较长的BBO晶体(>15 mm)来降低振荡阈值。
  采用355 nm的皮秒Nd:YAG激光进行泵浦,以BBO晶体作OPA获得的脉冲具有窄带(<0.3 nm),能量高(>200 μJ)和可调谐性宽(400-2000 nm)的特点。这种OPA可获得高于50%的最大能量转换率,因此诸多方面的性能相比普通的染料激光更优越,如转换率高,可调谐范围宽,易维护,设计简单,操作简便等。BBO-OPO或BBO-OPA再加上BBO的二次谐波的系统,可实现205 nm-3500 nm范围内的调谐。

 

 

3.其他应用
  以308 nm XeCl准分子激光为OPO的泵光,对I类BBO晶体进行角度调谐,可获得波长范围在422-477 nm的信号光。将Nd:YAG激光四次谐波产生的266 nm波长作为泵浦光,据报道观察到了BBO-OPO完整的从330 nm 到1370 nm的波长输出。
  采用波长615 nm,能量1 mJ,脉冲宽度80 fs的染料激光泵浦,在两块BBO晶体的OPA中可获得波长为800-2000 nm,能量大于50 μJ(最大130 μJ) ,脉冲宽度小于200 fs的超短波脉冲。

BBO晶体的电光应用

  BBO晶体也可用于电光应用中,具有从紫外到3500 nm的宽透射范围。此外,BBO晶体与DKDP和LiNbO3晶体相比具有更高的损伤阈值。采用福晶科技的电光BBO晶体以及增益介质Nd:YVO4晶体,可获得超过100 W的输出功率和1000 kHz的重复频率。在5 kHz重复频率下,其脉冲宽度可短至6.4 ns,达到5.7 mJ的能量或900 kW的峰值功率。相比声光Q开关,BBO晶体的电光应用有诸多优势,包括脉冲短、光束质量高、结构紧凑等。尽管其具有相对较小的电光系数以及高的半波电压(例如尺寸为3×3×20 mm3的BBO晶体,半波电压高达7 kV @ 1064 nm),通过增加BBO晶体长度和减少电极方向厚度可降低BBO电光器件的工作电压。
  目前,福晶科技可提供25 mm长和电极方向厚度1 mm的高光学质量的Z切BBO晶体,并可根据需求镀制增透膜和侧面镀金/铬。

福晶科技可提供镀制如下膜系

  • 根据客户应用需求选择IBS或IAD镀膜技术
  • 应用于BBO晶体1064 nm二倍频、三倍频和四倍频的双波长、三波长低反射率增透膜
  • 应用于二次倍频调谐激光器的BBO的宽带增透膜(BBAR)
  • 宽波段保护膜,用于BBO晶体的OPO
  • 高抗激光损伤阈值
  • 使用寿命长
  • 可提供膜系定制服务

BBO晶体规格指标

表3. 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

90% 中心区域

内部质量

50 mW 绿光检测无可见散射路径或中心

光洁度

10/5 参考MIL-PRF-13830B标准

平面度

≤λ/8 @ 633 nm

透射波前畸变

≤λ/8 @ 633 nm

平行度

20″

垂直度

15′

角度公差

≦0.25°

倒角

≦0.2 mm×45°

崩边

≦0.1 mm

损伤阈值

>1.5 GW/cm2 @ 1064 nm,10 ns,10 Hz (抛光片)

>1 GW/cm2 @ 1064 nm,10 ns,10 Hz   (增透膜)

>0.3 GW/cm2 @ 532 nm,10 ns,10 Hz  (增透膜)

品质保证期

一年(正常使用)

备注:

  • BBO晶体具有易潮解性,建议用户在干燥的环境中使用和保存
  • BBO晶体硬度低,操作时请注意保护,勿损伤晶体抛光面
  • BBO晶体的接收角小,因此调节角度时需要较为细致的操作
  • 可按客户需求定制BBO晶体,根据提供的激光器主要性能参数,如脉冲激光器的脉冲能量、脉冲宽度、重复频率,连续激光器的功率,以及光束直径、模式条件、发散角、可调谐波长范围等条件来推荐适合的晶体规格
  • 对于薄片晶体,可免费装配支架

 

福晶科技BBO晶体助力量子纠缠实验与量子科学发展

  助力量子纠缠实验与量子科学发展

  福晶科技BBO晶体

  

 

  世界的本质居然真是量子化的,而上帝,真的是在掷骰子......

  今年的诺贝尔物理学奖颁发给了用实验证实量子纠缠的三位科学家:约翰·克劳瑟(John Clauser)和阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)以及安东·泽林格(Anton Zeilinger ),以表彰其“对纠缠光子进行的实验,建立了贝尔不等式(Bell inequalities)的违逆性和开创了量子信息科学”。如果爱因斯坦知道的话不知是否还会固执于自己的想法,认为“上帝不会掷骰子”,量子纠缠原本只是思维实验,如今被科学家用实验证实。

图1. 2022年诺贝尔奖得主

  在EPR论文(1935)发表约30年后,J.S.Bell[1]于1964年关于Bell不等式的论文的发表,给出用定量的实验检验来判定这项物理学中重大哲学争论的可能性。经Clauser,Horne,Shimony和Holt[2](1969),Clauser和Horne[3](1974)的努力后,人们终于有了能真正用于实际实验检验的两种不等式,即CHSH不等式和CH不等式。很显然,要完成对Bell不等式的实验检验,最重要的一项前提任务无疑是制备纠缠粒子对。

  科学家们从1972到1982年共完成了12个实验,其中,10个实验的结果同量子力学预言一致而违反Bell不等式。诺奖得主A.Aspect于1982年完成的一个实验被称为反对定域实在论的“结论性证据”[4]。然而,由于定域实在论和量子力学之争的复杂性和重要性,以及Bell不等式实验检验本身还存在着不少“漏洞”,因此,物理学家们从未停止对Bell不等式检验的实验的研究,也在不断寻求新的更有效的制备纠缠光子对的方法。至今已完成了大量实验,而福晶科技的BBO非线性光学晶体对后续纠缠光子实验的发展和进步起到了重要作用,并凭借其优势逐渐成为制备纠缠光子的主要方法。

  在1982年以前所完成的12个实验中,7个使用原子级联辐射光子对,4个使用湮灭辐射光子对,1个使用质子对。由于这几种源技术存在着自身固有的缺陷,例如随机延迟选择思想在原子级联发射光子源中难以实现,实验结构复杂,效率较低,稳定性较差,不易于分析。所以1988年以后完成的实验大多数采用一种被称为光学自发参量下转换(parametric down-conversion,PDC)的技术来产生纠缠光子对。一个光子通过自发参量下转换变为一对光子存在着两种方式,这取决于下转换光子对的两个光子是具有相同的偏振还是正交的偏振,这正是文献中常称它们为Ⅰ类(type-Ⅰ)参量下转换和Ⅱ类(type-Ⅱ)参量下转换的缘故。这种光子源有显著的优点,首先结构简单,易于实现,便于探测;其次能够产生非常细小的两个关联光子束,可以输入到很大长度的光纤中去或在自由空间中传输,因而光源和测量装置之间允许分开很远,目前已超过上千公里,使验证实验更加直接和客观。此后使用非线性光学晶体尤其是利用BBO晶体制备高亮度纠缠光子对的方法逐渐成为主流。

  重要纠缠光子实验中BBO的身影

  1979年中科院福建物质结构研究所陈创天教授团队发明了BBO非线性光学晶体,引起了国际光学界的极大兴趣。在1990年福建物构所成立福建晶体技术开发公司(福晶科技前身)之前,研究所就已经开始了BBO,LBO和KD*P等非线性光学晶体生产和对外销售。1988年,Shih和Alley[5]小组发表了“New Type of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Experiment Using Pairs of Light Quanta Produced by Optical Parametric Down Conversion”一文,这是最早采用参量下转换技术和非线性光学晶体产生纠缠光子对进行Bell不等式检验的实验报道。实验使用的晶体是Ⅰ类相位匹配KD*P晶体(如图2)。实验数据为d=0.34±0.03,该实验结果展示了对Freedman不等式的3个标准偏差的违反。

  此实验开启了非线性光学晶体制备纠缠光子的时代。此时,BBO晶体还只是作为输入光倍频晶体参与实验,由KD*P晶体产生纠缠光子。

  

 

图2. 实验装置示意图[5]

  1992年,Brendel,Mohler和Martiessen[6]发表了“Experimental Test of Bell’s Inequality for Energy and Time”一文,该报道是最早的直接使用BBO晶体制备纠缠光子对的实验之一,在一个特别简单且易于分析的结构中(如图3)对能量和时间的贝尔不等式进行了测试检验,而除了由Rarity和Tapster于1990年所完成的基于“相位和动量”的实验之外,以前所有的实验都是对于自旋或偏振的变量的检验。最终的实验结果获得了高达86%的最大可见性,并以7个标准偏差对能量和时间的Bell不等式的违反。

  

 

图3. 实验装置示意图[6]

  1993年,Kiess,Shih,Sergienko和Alley[7]发表了“Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Experiment Using of Light Quanta Produced by Type-Ⅱ Parametric Down Conversion”一文,首次采用BBO晶体在Ⅱ类相位匹配的参量下转换中产生的纠缠光子对来检验Bell不等式。他们给出的实验数据是S=0.316±0.003,并在文中说明该实验以22个标准偏差违反Freedman不等式。

  1995年,Kwiat,Mattle,Weinfurter和Zeilinger[8]发表了“New High Intensity Source of Polarization-Entangled Photon Pairs”一文。首次采用非共线Ⅱ类相位匹配技术来产生纠缠光子对进行Bell不等式检验实验,所需的偏振纠缠态光子直接从一个非线性光学晶体(使用的是BBO晶体)产生,不需要额外的分束器或镜子(如图4)。此实验的重要性在于它所提供的这种光源的亮度比以往的偏振纠缠光子源高一个数量级以上。作者们在文中指出,根据所获得的数据(-2.6489±0.0064)可知该实验在5分钟内获得的对CHSH不等式的违反大于100个标准偏差。此实验提出了一个更简单的依赖于非线性Ⅱ类相位匹配的技术方法。偏振纠缠态光子直接产生于单个非线性晶体(BBO),不需要额外的分束器或反射镜,也不需要丢弃检测到的光子对来观察非局域相关。此前,大多数自发参数下转换光子的实验都采用Ⅰ类相位匹配,其中相关光子具有相同的偏振。在简并发射的情况下,一对波长相等的光子出现在以泵浦光为中心的锥上,锥的开口角取决于晶体光轴与泵浦光的夹角。通过Ⅱ型相位匹配,下转换的光子被发射到两个锥(如图5),一个是普通偏振,另一个是异常偏振。在共线情况下,两个锥恰好在一条线上相切共线,即泵浦光方向。在锥重叠的地方,光基本上可以呈现纠缠态。

  

 

图4. 一种从下转换晶体中产生和选择偏振纠缠态的方法示意图[8]

  额外的双折射晶体Cl和C2,以及半波板HWPO,被用来补偿来自生产晶体的双折射步行效应。通过适当设置半波板HWP1和四分之一波板QWP1,可以产生所有四种正交EPR-Bell态。每个偏光片P1和P2由两个堆叠的偏光分束器组成,前有一个可旋转的半波片。

  

 

图5. Ⅱ型相位匹配下自发参量下转换锥,纠缠光子位于泵浦光的两侧[8]

  此方案有许多明显的优势,由于结构简单,状态非常稳定,该方案比其他下转换设置能更快获得纠缠光子对,相位漂移对偏振纠缠态影响极小,明显优于动量纠缠态或能量-时间纠缠态。此外,还可以将偏振纠缠态转换为动量-能量-时间纠缠态。此技术方案能够应用于许多需要稳定的易于控制的两个粒子纠缠态源的实验中,特别是量子通信的实验,包括量子加密、隐形传态以及量子计算领域。此方案大大促进了这类实验,以及对量子力学基础的研究,甚至学生在实验室都能实现。

  1998年,Weihs,Jennewien,Simon,Weinfurter,和Zeilinger[9]发表了“Violation of Bell’s Inequality under Strict Einstein Locality Conditions”的论文。根据Ⅱ类参量下转换原理,选用BBO晶体产生偏振纠缠的光子对(如图6),此实验中分析器与检测器之间的距离是400m,测得偏振分析的选择方向和检测光子的总时间约为100ns,明显小于光传播这段距离所需的时间(1.3ms),符合爱因斯坦定域性条件的要求;每一个检测器对局部的线性偏振的分析方向都是由一个电子-光子的电压调节器所决定的;方向的选择是基于一个随机数发生器。实验最终数据是S=2.73±0.02,违反CHSH不等式超过30个标准偏差。这个实验的重要性在于被认为是力图超越1982年Aspect实验而又的确取得重大成就的第一个实验,因为它第一次真正严格地实施了爱因斯坦定域性条件,已经封闭了定域性漏洞。

  

 

图6. 实验装置示意图

(Electro-Optic Modulator元器件为BBO晶体)[9]

  1999年,Kwiat,Waks,White,Appelbaum和Eberhard[10]发表“Ultrabright Source of Polarization-Entangled Photons”一文,他们采用两块BBO晶体结合的自发参量下转换过程,得到了超高亮度的偏振纠缠光子对光源(如图7),并利用此光源来检验Bell不等式,实验数据是S=2.7007±0.0029,在不到3分钟内获得了对Bell不等式的违反达242个标准偏差。根据此处给出的实验数据和违反的标准偏差数,可判知该实验违反的是CHSH不等式。

  

 

图7.(a)两个相同的下转换晶体中产生偏振纠缠光子的方法,

方向相互为90°; (b)实验装置示意图[10]

  2001年,中国科学技术大学的Yun-feng Huang(黄云峰),Chuan-feng Li(李传锋),Yong-sheng Zhang(张永生)和Guang-can Guo(郭光灿)[11]发表“Experimental test of CHSH inequality for non-maximally entangled states”一文,他们采用两块BBO晶体结合的自发参量下转换产生纠缠光子对,提出了对于非最大纠缠态时对CHSH不等式最大违反的检验方法(如图8),该实验获得数据是S=2.7277±0.0719,以10个标准偏差违反CHSH不等式。本实验是使用非最大纠缠态对Bell不等式进行检验的最早实验之一。

  

 

图8. 产生非最大纠缠态和测量S值的实验装置示意图[11]

  2003年,Aspelmeyer,Zeilinger等13位作者[12]在Science杂志发表“Long-Distance Free-Space Distribution of Quantum Entanglement”一文。文中实验使用了由Ⅱ类参量下转换BBO晶体产生的偏振纠缠的光子对,不同于以往的实验,此实验首次不借助于光纤传输,在分离600米的自由空间中完成。以此为基础,在2005年中国科学技术大学Jian-wei Pan(潘建伟)团队等13人[13]实现了纠缠光子在13公里长的自由空间中的分发,这是当时最长的距离。实验表明,两个纠缠光子即使已经穿越噪杂的城市环境(大气背景),所期望的纠缠依然存在。两项试验实验都是对CHSH不等式进行了检验,证明了对Bell不等式的违反。

  随着贝尔不等式的提出,人们可以在实验上检验量子非局域性。由于实验装置的不完美,绝大多数实验都存在漏洞,其中广受关注的漏洞包括探测效率漏洞和定域性漏洞等。在2015年,科学家们首次在二维纠缠体系中同时关闭了效率漏洞和定域性漏洞,并以此为基础发展出了各种设备无关的量子信息任务。2022年,我科学家也首次实现了无探测漏洞的高维贝尔不等式检验,中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、柳必恒研究组利用BBO晶体制备纠缠光子,将高维纠缠光子的总体探测效率提升到71.7%[14],从而实现了无探测漏洞的高维贝尔不等式检验(如图9)。该成果为进一步实现同时关闭探测漏洞和非局域性漏洞的高维贝尔不等式检验及设备无关的高维量子通信过程奠定重要基础。

  

 

图9.无探测漏洞的高维贝尔不等式实验装置示意图[14]

  总结与展望

  时至今日,虽然量子纠缠已被证实,但科学家们仍然在量子力学前进的道路上奋力前行。纵观纠缠光子实验的发展史,许多重要的量子纠缠实验均采用我们福晶科技所发明的BBO晶体,在制备纠缠光子的过程中起到了重要作用,也让我们有机会参与到在这场物理学重大哲学争论中来。

  科学家们通过BBO晶体设计出更简单、更稳定的纠缠光子实验方案,得到了亮度更高传播更远的纠缠光子,极大促进了这类实验以及对量子力学基础的研究。在量子纠缠实验中,越来越多的科学家选用BBO晶体,也让我们看到了我们的晶体在世界上深远广泛的影响以及更大的潜力和商业价值。未来我们相信,随着量子科学的发展,BBO晶体将会在量子通信、量子密码学、密集编码、隐形传态和量子计算等领域发挥重要作用,BBO晶体也将会拥有更广阔的市场。很荣幸我们的BBO晶体能身处于量子力学快速发展的时代并与之一路同行。

 

BBO晶体的发展之路

 

《LBO晶体的前世今生》一经推出,受到了许多光电小伙伴们的喜爱,小编在后台收到了不少热情的点赞和留言,希望能继续介绍福晶科技更多的晶体产品。小编备受鼓舞,一定会再接再厉,把“福晶小课堂”做成一个兼具知识性和趣味性的系列栏目。在留言中被“翻牌”最多的就属咱们另一位非线性晶体重磅选手——BBO,那今天咱们来聊一聊BBO晶体非同寻常的发展之路。

 
 
 
大家闺秀 闪亮登场

 

通过《LBO晶体的前世今生》,我们对1976年中国科学院福建物质结构研究所(文中简称为福建物构所)提出的大名鼎鼎的阴离子基团理论已经不陌生了吧。1977年,为了进一步开展新晶体材料研究,卢嘉锡先生组织建立了“非线性光学新材料探索组”。1979年,新材料探索组在大量的前期基础研究和文献调研后,研制出一种新型晶体材料,叫做“非线性光学晶体材料低温相偏硼酸钡”(β-BaB2O4),简称BBO晶体。BBO晶体的看家本领之一就是可以把激光的频率加倍,从而使光的波长变成一半,例如把红外光改变为可见的绿光,而且效率很高,因此具有极佳的应用价值(除了优异的非线性效应,BBO另一个突出的光学特性是电光效应)。这一发明,在世界材料界引起了巨大轰动,并被推上了风头浪尖。

 
 
 

照片左起:吴柏昌,陈创天,卢绍芳,江爱栋

 

 
 
结构之争 花落谁家

 

 

原来,德国科学家早已发表了研究结果,认定BBO晶体是有对称心的晶体。德国人一向以精细缜密而著称于世,国际上还未曾有人对上述研究结果表示质疑。科学家们知道,有对称心的晶体是不可能具有倍频性能的。那么,究竟是谁错了呢? 如果不能搞清BBO晶体的晶胞参数,确定BBO晶体的晶体结构,BBO的进一步研发将难以进行。福建物构所的结构化学专家卢绍芳研究员的具体任务就是承担BBO晶体的结构分析。八十年代伊始,福建物构所尚无四圆衍射仪,更无可用于直接分析结构的成套程序,需要经过一系列繁复操作、静心分析的经典步骤,最终才能解出该晶体的完整的空间结构。在黄金陵先生的指导下,经过近一年废寝忘食的研究,卢绍芳研究员终于以翔实的数据和无懈可击的实验报告得出了正确结论:BBO晶体是无对称心的晶体,1982年研究成果发表于《中国物理学报》上。

2006年应国外研究BBO晶体专家的建议,卢绍芳研究员在众多同事的协作下再次测定163K,即低温条件下BBO的空间结构,并与之前在293K,即常温的结果进行详细比较,为国外物理学家研究BBO极性晶体的物理性质提供准确的结构依据。在完成测定BBO晶体结构科研任务之后,吴以成先生和卢绍芳研究员等同事们协作努力,又完成了对福建物构所研制的三硼酸锂(也就是我们熟知的LBO)晶体的结构鉴定,为这两种“中国牌”的优良倍频晶体性能的研究提供了可靠的结构依据。此后,卢绍芳研究员系统地总结了一系列硼酸盐的结构特征,为这项创新研究的拓展作出了重大贡献。

 

照片左起:吴鼎铭,黄建全,黄金陵,卢绍芳,庄鸿辉

 

 

 
 
 
性能卓著 商界传奇
 

 

 

 

 

BBO的结构之争为何会引起学术界的轩然大波?这是因为一旦认定其结构,BBO晶体在商业上应用前景则不可限量,目前已经是世界上公认的最优秀的二阶非线性光学晶体之一。其优异的光学特性和应用领域主要有:

 

 

 

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);

 

 

 高的激光损伤阈值,约为10GW/cm2(100ps宽度,1064nm);

 

 

温度接收角宽(55℃左右)。

 

BBO晶体毛坯

BBO器件

 

 

 

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。

 

 

 

 

 

BBO晶体被誉为中国人按照自己的科学思想创造出来的第一块“中国牌”晶体。美国非线性光学晶体材料科学界在比较了“新中国发现BBO晶体的研究小组和美国的研究情况”之后,一些权威专家曾为“非线性光学材料研究方面的大部分新思想不是发源于美国”而感到担忧。

正是看到了BBO晶体的大有可为:很宽的调频范围可制成波长从可见到近红外全固态连续可调激光器,而其在深紫外和超快的应用能变革性的推动下一代超高精度加工发展,1988年福建物构所成立了福建晶体技术开发公司(福建福晶科技股份有限公司前身),自此开启了BBO晶体商业应用的征途,经过三十多年的发展,已成为世界上顶尖的超快和OPO激光公司的首选,全球市场占有率高达70%以上。

 

 
 
征战疆场 殊荣无数

作为科研珍奇之花在商业领域结出累累硕果的典范, BBO晶体斩获殊荣无数:

1984年
 

中国科学院科技进步奖特等奖

1985年
 
首届全国发明展览会发明一等奖
1986年
 

中科院科技进步奖特等奖

1987年
 

作为高技术工业化晶体产品,曾入选美国 “激光与光电子”杂志编委会和编辑顾问委员会组织评选的“十大新技术尖端产品”

1988年
 

首届陈嘉庚物质科学奖

1988年
 

其开发应用成果获中国科学院科技进步奖二等奖

1988年
 

第三世界科学院化学奖

1990年
 

获美国 《激光集锦》杂志授予的 “工业成就奖”

1993年
 

其专利获中国发明专利金奖

 
 
提升品质 互利共赢

自公司成立以来,BBO晶体作为福晶科技的拳头产品之一,一直受到格外的重视和呵护。不断地研发投入和品质提升,赢得了全球客户的青睐与信任。在 “光电行业发展的有力推动者”使命的激励下,福晶科技一如既往地关注市场的应用诉求,持续不断地提升BBO晶体的内在品质,尤其是进一步降低紫外波段的吸收,以及通过不断的生长和加工技术革新,进一步实现与客户的互利共赢,让BBO晶体的发展之路越走越宽广。

福晶科技厂区

下一期的“福晶小课堂”之晶体篇,大家想了解福晶科技的哪块晶体产品呢?欢迎大家给咱们留言,小编一定满足要求!

 
 

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产品详情

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β-BBO 晶体 - β 相偏硼酸钡

β相偏硼酸钡晶(β-BaB2O4,BBO)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。
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产品描述
福晶课堂

产品介绍

β相偏硼酸钡晶体(β-BaB2O4,BBO)是由中国科学院物质结构研究所首次发现和研究的新型紫外倍频晶体,由福晶科技进行生产和销售。

 

主要优点

  • 相位匹配波段宽(409.6-3500 nm)  
  • 可透过波段范围宽(190-3500 nm)  
  • 倍频转换效率高(相当于KDP晶体的6倍)  
  • 高损伤阈值  
  • 光学均匀性好δn≈10-6 /cm  
  • 温度接收角宽(~55 ℃)  
  • 用于Nd:YAG激光的二倍、三倍、四倍以及五倍频中  
  • 广泛应用于超快激光的谐波产生

 
福晶科技可提供

  • 严格的质量控制
  • 晶体最薄可到0.005 mm,最长可达25 mm,最大尺寸为15×15×15 mm3
  • 增透膜(AR-coating)或保护膜(P-coating)镀制,支架装配和重抛镀服务
  • 库存充足
  • 快速交付(抛光片交期15个工作日,镀膜产品交期20个工作日)

基本特性
      

表1. 化学和结构特性

晶体结构

三方晶系,空间群 R3c

晶胞参数

a=b=12.532 Å,c=12.717 Å,Z=6

熔点

约1095 ℃

莫氏硬度

4 Mohs

密度

3.85 g/cm3

热导率

1.2 W/m/K(⊥c);1.6 W/m/K(∥c)

热膨胀系数

α11=4×10-6 /K,α33= 36×10-6 /K

 

 

表2. 光学和非线性光学特性 

透光波段

190-3500 nm

SHG 相位匹配范围

409.6-3500 nm(TypeⅠ)      525-3500 nm(TypeⅡ)

热光系数

dno/dT=-16.6×10-6 /℃

dne/dT=-9.3×10-6 /℃

吸收系数

<0.1%/cm @ 1064 nm, <1%/cm @ 532 nm

接收角

0.8 mrad·cm     (θ, TypeⅠ,1064 SHG)

1.27 mrad·cm    (θ, TypeⅡ,1064 SHG)

温度带宽

55 ℃·cm   

接收谱宽

1.1 nm·cm    

走离角

2.7°     (TypeⅠ,1064 SHG)

3.2°     (TypeⅡ,1064 SHG)

非线性光学系数

deff(Ⅰ)=d31sinθ+(d11cos3Ф-d22sin3Ф)cosθ

deff(Ⅱ)=(d11sin3Ф+d22cos3Ф)cos2θ    

非零非线性光学

系数

d11=5.8×d36(KDP)=2.55 pm/V

d31=0.05×d11

d22<0.05×d11 

Sellmeier 方程

 (λ单位μm)

    no= 2.7359 + 0.01878 / (λ2 - 0.01822) - 0.01354 λ2

    ne2 = 2.3753 + 0.01224 / (λ2 - 0.01667) - 0.01516 λ2

电光系数

γ22=2.7 pm/V

半波电压

7 KV(@ 1064 nm,3×3×20 mm3

电阻率

˃1011 ohm•cm

相对介电系数

ɛs11o: 6.7

ɛs33o: 8.1

Tanδ<0.001

 

BBO是一种负单轴晶体,它的o光折射率(no)比e光(ne)折射率大;通过角度调谐可获得I、II类相位匹配,其SHG相位匹配如图2所示。

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,目前仍是五倍频输出213nm光的最佳选择之一。二倍频的转换效率大于70%,三倍频60%,四倍频50%,五倍频输出213 nm的功率可达200 mW。
  BBO晶体也是理想的高功率Nd:YAG激光腔内倍频晶体。使用福晶科技生产的镀增透膜BBO晶体,在声光调Q Nd:YAG激光器腔内倍频可获得平均功率超过15 W的532 nm光。以锁模Nd:YLF激光器倍频输出的600 mW光为泵浦源,端面布儒斯特角切割的BBO晶体腔外倍频可获得66 mW的263 nm光。
  由于BBO晶体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)。我们不建议对基频光光束进行聚焦。

在Nd:YAG激光器中的应用

1. 染料激光器

  用I类BBO晶体可高效输出二次谐波效率>10%,波长≥206nm的紫外光(205-310 nm),对XeCl激光泵浦的峰值功率为150 KW的染料激光器倍频,可获得36%的转换率(比ADP高大约4-6倍)。二次谐波获得的最短204.97 nm 光的转换率约为1%。
  福晶生产的BBO晶体广泛应用于染料激光器中。用BBO将780-950 nm和248.5 nm光(495 nm染料激光的SHG输出)进行I类和频,可获得最短188.9-197 nm的紫外光,其中激光脉冲能量分别为95 mJ @ 193 nm和8 mJ @ 189 nm。

2. 超短脉冲激光器

  在超短脉冲激光的二、三倍频应用中,BBO晶体的性能优于KDP和ADP晶体。对于此类应用,目前福晶可提供的BBO晶体最小厚度为0.005 mm。在同时满足相速度和群速度匹配情况下,用一个薄BBO晶体可达到对10 fs激光脉冲的有效倍频。

3. 钛宝石激光器和翠绿宝石激光器
  使用BBO晶体,翠绿宝石激光的I类二次谐波可输出波长范围360 nm-390 nm的紫外光,其中378 nm波长激光的脉冲能量为105 mJ(31%的二次谐波转换率),三次谐波可输出波长范围244-259 nm,脉冲能量7.5 mJ(24%的混频转换率)的紫外光。
  对钛宝石激光的二次谐波转换效率可高于50%,且其三次和四次谐波转换效率也较高。

4. 氩离子激光器和铜蒸气激光器
  在全线输出功率为2 W的氩离子激光器中采用腔内倍频技术,端面布儒斯特角切割的BBO晶体可获得波长范围在228.9-257.2 nm的36条深紫外光,最大功率33 mW @ 250.4 nm。
  510.6 nm的铜蒸气激光的二次谐波平均输出功率可达230 mW @ 255.3 nm,最大能量转换率为8.9%。


在OPO和OPA中的应用

  BBO晶体在OPO和OPA中起着重要作用,可产生从紫外到近红外的一系列可调谐相干激光。图3和图4分别是I类和II类BBO晶体在OPO、OPA中的调谐角度的计算结果。

1.532 nm泵浦的OPO

  采用输入能量40 mJ,脉冲宽度75 ps的532 nm泵浦光,在一个7.2 mm长的I类BBO晶体可获得波长范围680-2400 nm的OPO输出,峰值功率1.6 MW,能量转换率可达30%。BBO晶体越长,能量转换率越高。

2.355 nm泵浦的OPO和OPA

  以355nm激光做泵浦源,使用福晶科技BBO晶体的OPO系统输出的可调谐波长范围在400-3100 nm,并且波长430-2000 nm范围的能量转换率在18%-30%之间。
  II类BBO可用来减小线宽,用BBO可获得0.05 nm的线宽和12%的可用转换率。在II类相位匹配中,通常会用较长的BBO晶体(>15 mm)来降低振荡阈值。
  采用355 nm的皮秒Nd:YAG激光进行泵浦,以BBO晶体作OPA获得的脉冲具有窄带(<0.3 nm),能量高(>200 μJ)和可调谐性宽(400-2000 nm)的特点。这种OPA可获得高于50%的最大能量转换率,因此诸多方面的性能相比普通的染料激光更优越,如转换率高,可调谐范围宽,易维护,设计简单,操作简便等。BBO-OPO或BBO-OPA再加上BBO的二次谐波的系统,可实现205 nm-3500 nm范围内的调谐。

 

 

3.其他应用
  以308 nm XeCl准分子激光为OPO的泵光,对I类BBO晶体进行角度调谐,可获得波长范围在422-477 nm的信号光。将Nd:YAG激光四次谐波产生的266 nm波长作为泵浦光,据报道观察到了BBO-OPO完整的从330 nm 到1370 nm的波长输出。
  采用波长615 nm,能量1 mJ,脉冲宽度80 fs的染料激光泵浦,在两块BBO晶体的OPA中可获得波长为800-2000 nm,能量大于50 μJ(最大130 μJ) ,脉冲宽度小于200 fs的超短波脉冲。

BBO晶体的电光应用

  BBO晶体也可用于电光应用中,具有从紫外到3500 nm的宽透射范围。此外,BBO晶体与DKDP和LiNbO3晶体相比具有更高的损伤阈值。采用福晶科技的电光BBO晶体以及增益介质Nd:YVO4晶体,可获得超过100 W的输出功率和1000 kHz的重复频率。在5 kHz重复频率下,其脉冲宽度可短至6.4 ns,达到5.7 mJ的能量或900 kW的峰值功率。相比声光Q开关,BBO晶体的电光应用有诸多优势,包括脉冲短、光束质量高、结构紧凑等。尽管其具有相对较小的电光系数以及高的半波电压(例如尺寸为3×3×20 mm3的BBO晶体,半波电压高达7 kV @ 1064 nm),通过增加BBO晶体长度和减少电极方向厚度可降低BBO电光器件的工作电压。
  目前,福晶科技可提供25 mm长和电极方向厚度1 mm的高光学质量的Z切BBO晶体,并可根据需求镀制增透膜和侧面镀金/铬。

福晶科技可提供镀制如下膜系

  • 根据客户应用需求选择IBS或IAD镀膜技术
  • 应用于BBO晶体1064 nm二倍频、三倍频和四倍频的双波长、三波长低反射率增透膜
  • 应用于二次倍频调谐激光器的BBO的宽带增透膜(BBAR)
  • 宽波段保护膜,用于BBO晶体的OPO
  • 高抗激光损伤阈值
  • 使用寿命长
  • 可提供膜系定制服务

BBO晶体规格指标

表3. 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

90% 中心区域

内部质量

50 mW 绿光检测无可见散射路径或中心

光洁度

10/5 参考MIL-PRF-13830B标准

平面度

≤λ/8 @ 633 nm

透射波前畸变

≤λ/8 @ 633 nm

平行度

20″

垂直度

15′

角度公差

≦0.25°

倒角

≦0.2 mm×45°

崩边

≦0.1 mm

损伤阈值

>1.5 GW/cm2 @ 1064 nm,10 ns,10 Hz (抛光片)

>1 GW/cm2 @ 1064 nm,10 ns,10 Hz   (增透膜)

>0.3 GW/cm2 @ 532 nm,10 ns,10 Hz  (增透膜)

品质保证期

一年(正常使用)

备注:

  • BBO晶体具有易潮解性,建议用户在干燥的环境中使用和保存
  • BBO晶体硬度低,操作时请注意保护,勿损伤晶体抛光面
  • BBO晶体的接收角小,因此调节角度时需要较为细致的操作
  • 可按客户需求定制BBO晶体,根据提供的激光器主要性能参数,如脉冲激光器的脉冲能量、脉冲宽度、重复频率,连续激光器的功率,以及光束直径、模式条件、发散角、可调谐波长范围等条件来推荐适合的晶体规格
  • 对于薄片晶体,可免费装配支架

 

关键词:
非线性晶体
β偏硼酸钡
BBO
四倍频
深紫外
超快激光
二倍频
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福晶科技BBO晶体助力量子纠缠实验与量子科学发展

  助力量子纠缠实验与量子科学发展

  福晶科技BBO晶体

  

 

  世界的本质居然真是量子化的,而上帝,真的是在掷骰子......

  今年的诺贝尔物理学奖颁发给了用实验证实量子纠缠的三位科学家:约翰·克劳瑟(John Clauser)和阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)以及安东·泽林格(Anton Zeilinger ),以表彰其“对纠缠光子进行的实验,建立了贝尔不等式(Bell inequalities)的违逆性和开创了量子信息科学”。如果爱因斯坦知道的话不知是否还会固执于自己的想法,认为“上帝不会掷骰子”,量子纠缠原本只是思维实验,如今被科学家用实验证实。

图1. 2022年诺贝尔奖得主

  在EPR论文(1935)发表约30年后,J.S.Bell[1]于1964年关于Bell不等式的论文的发表,给出用定量的实验检验来判定这项物理学中重大哲学争论的可能性。经Clauser,Horne,Shimony和Holt[2](1969),Clauser和Horne[3](1974)的努力后,人们终于有了能真正用于实际实验检验的两种不等式,即CHSH不等式和CH不等式。很显然,要完成对Bell不等式的实验检验,最重要的一项前提任务无疑是制备纠缠粒子对。

  科学家们从1972到1982年共完成了12个实验,其中,10个实验的结果同量子力学预言一致而违反Bell不等式。诺奖得主A.Aspect于1982年完成的一个实验被称为反对定域实在论的“结论性证据”[4]。然而,由于定域实在论和量子力学之争的复杂性和重要性,以及Bell不等式实验检验本身还存在着不少“漏洞”,因此,物理学家们从未停止对Bell不等式检验的实验的研究,也在不断寻求新的更有效的制备纠缠光子对的方法。至今已完成了大量实验,而福晶科技的BBO非线性光学晶体对后续纠缠光子实验的发展和进步起到了重要作用,并凭借其优势逐渐成为制备纠缠光子的主要方法。

  在1982年以前所完成的12个实验中,7个使用原子级联辐射光子对,4个使用湮灭辐射光子对,1个使用质子对。由于这几种源技术存在着自身固有的缺陷,例如随机延迟选择思想在原子级联发射光子源中难以实现,实验结构复杂,效率较低,稳定性较差,不易于分析。所以1988年以后完成的实验大多数采用一种被称为光学自发参量下转换(parametric down-conversion,PDC)的技术来产生纠缠光子对。一个光子通过自发参量下转换变为一对光子存在着两种方式,这取决于下转换光子对的两个光子是具有相同的偏振还是正交的偏振,这正是文献中常称它们为Ⅰ类(type-Ⅰ)参量下转换和Ⅱ类(type-Ⅱ)参量下转换的缘故。这种光子源有显著的优点,首先结构简单,易于实现,便于探测;其次能够产生非常细小的两个关联光子束,可以输入到很大长度的光纤中去或在自由空间中传输,因而光源和测量装置之间允许分开很远,目前已超过上千公里,使验证实验更加直接和客观。此后使用非线性光学晶体尤其是利用BBO晶体制备高亮度纠缠光子对的方法逐渐成为主流。

  重要纠缠光子实验中BBO的身影

  1979年中科院福建物质结构研究所陈创天教授团队发明了BBO非线性光学晶体,引起了国际光学界的极大兴趣。在1990年福建物构所成立福建晶体技术开发公司(福晶科技前身)之前,研究所就已经开始了BBO,LBO和KD*P等非线性光学晶体生产和对外销售。1988年,Shih和Alley[5]小组发表了“New Type of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Experiment Using Pairs of Light Quanta Produced by Optical Parametric Down Conversion”一文,这是最早采用参量下转换技术和非线性光学晶体产生纠缠光子对进行Bell不等式检验的实验报道。实验使用的晶体是Ⅰ类相位匹配KD*P晶体(如图2)。实验数据为d=0.34±0.03,该实验结果展示了对Freedman不等式的3个标准偏差的违反。

  此实验开启了非线性光学晶体制备纠缠光子的时代。此时,BBO晶体还只是作为输入光倍频晶体参与实验,由KD*P晶体产生纠缠光子。

  

 

图2. 实验装置示意图[5]

  1992年,Brendel,Mohler和Martiessen[6]发表了“Experimental Test of Bell’s Inequality for Energy and Time”一文,该报道是最早的直接使用BBO晶体制备纠缠光子对的实验之一,在一个特别简单且易于分析的结构中(如图3)对能量和时间的贝尔不等式进行了测试检验,而除了由Rarity和Tapster于1990年所完成的基于“相位和动量”的实验之外,以前所有的实验都是对于自旋或偏振的变量的检验。最终的实验结果获得了高达86%的最大可见性,并以7个标准偏差对能量和时间的Bell不等式的违反。

  

 

图3. 实验装置示意图[6]

  1993年,Kiess,Shih,Sergienko和Alley[7]发表了“Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Experiment Using of Light Quanta Produced by Type-Ⅱ Parametric Down Conversion”一文,首次采用BBO晶体在Ⅱ类相位匹配的参量下转换中产生的纠缠光子对来检验Bell不等式。他们给出的实验数据是S=0.316±0.003,并在文中说明该实验以22个标准偏差违反Freedman不等式。

  1995年,Kwiat,Mattle,Weinfurter和Zeilinger[8]发表了“New High Intensity Source of Polarization-Entangled Photon Pairs”一文。首次采用非共线Ⅱ类相位匹配技术来产生纠缠光子对进行Bell不等式检验实验,所需的偏振纠缠态光子直接从一个非线性光学晶体(使用的是BBO晶体)产生,不需要额外的分束器或镜子(如图4)。此实验的重要性在于它所提供的这种光源的亮度比以往的偏振纠缠光子源高一个数量级以上。作者们在文中指出,根据所获得的数据(-2.6489±0.0064)可知该实验在5分钟内获得的对CHSH不等式的违反大于100个标准偏差。此实验提出了一个更简单的依赖于非线性Ⅱ类相位匹配的技术方法。偏振纠缠态光子直接产生于单个非线性晶体(BBO),不需要额外的分束器或反射镜,也不需要丢弃检测到的光子对来观察非局域相关。此前,大多数自发参数下转换光子的实验都采用Ⅰ类相位匹配,其中相关光子具有相同的偏振。在简并发射的情况下,一对波长相等的光子出现在以泵浦光为中心的锥上,锥的开口角取决于晶体光轴与泵浦光的夹角。通过Ⅱ型相位匹配,下转换的光子被发射到两个锥(如图5),一个是普通偏振,另一个是异常偏振。在共线情况下,两个锥恰好在一条线上相切共线,即泵浦光方向。在锥重叠的地方,光基本上可以呈现纠缠态。

  

 

图4. 一种从下转换晶体中产生和选择偏振纠缠态的方法示意图[8]

  额外的双折射晶体Cl和C2,以及半波板HWPO,被用来补偿来自生产晶体的双折射步行效应。通过适当设置半波板HWP1和四分之一波板QWP1,可以产生所有四种正交EPR-Bell态。每个偏光片P1和P2由两个堆叠的偏光分束器组成,前有一个可旋转的半波片。

  

 

图5. Ⅱ型相位匹配下自发参量下转换锥,纠缠光子位于泵浦光的两侧[8]

  此方案有许多明显的优势,由于结构简单,状态非常稳定,该方案比其他下转换设置能更快获得纠缠光子对,相位漂移对偏振纠缠态影响极小,明显优于动量纠缠态或能量-时间纠缠态。此外,还可以将偏振纠缠态转换为动量-能量-时间纠缠态。此技术方案能够应用于许多需要稳定的易于控制的两个粒子纠缠态源的实验中,特别是量子通信的实验,包括量子加密、隐形传态以及量子计算领域。此方案大大促进了这类实验,以及对量子力学基础的研究,甚至学生在实验室都能实现。

  1998年,Weihs,Jennewien,Simon,Weinfurter,和Zeilinger[9]发表了“Violation of Bell’s Inequality under Strict Einstein Locality Conditions”的论文。根据Ⅱ类参量下转换原理,选用BBO晶体产生偏振纠缠的光子对(如图6),此实验中分析器与检测器之间的距离是400m,测得偏振分析的选择方向和检测光子的总时间约为100ns,明显小于光传播这段距离所需的时间(1.3ms),符合爱因斯坦定域性条件的要求;每一个检测器对局部的线性偏振的分析方向都是由一个电子-光子的电压调节器所决定的;方向的选择是基于一个随机数发生器。实验最终数据是S=2.73±0.02,违反CHSH不等式超过30个标准偏差。这个实验的重要性在于被认为是力图超越1982年Aspect实验而又的确取得重大成就的第一个实验,因为它第一次真正严格地实施了爱因斯坦定域性条件,已经封闭了定域性漏洞。

  

 

图6. 实验装置示意图

(Electro-Optic Modulator元器件为BBO晶体)[9]

  1999年,Kwiat,Waks,White,Appelbaum和Eberhard[10]发表“Ultrabright Source of Polarization-Entangled Photons”一文,他们采用两块BBO晶体结合的自发参量下转换过程,得到了超高亮度的偏振纠缠光子对光源(如图7),并利用此光源来检验Bell不等式,实验数据是S=2.7007±0.0029,在不到3分钟内获得了对Bell不等式的违反达242个标准偏差。根据此处给出的实验数据和违反的标准偏差数,可判知该实验违反的是CHSH不等式。

  

 

图7.(a)两个相同的下转换晶体中产生偏振纠缠光子的方法,

方向相互为90°; (b)实验装置示意图[10]

  2001年,中国科学技术大学的Yun-feng Huang(黄云峰),Chuan-feng Li(李传锋),Yong-sheng Zhang(张永生)和Guang-can Guo(郭光灿)[11]发表“Experimental test of CHSH inequality for non-maximally entangled states”一文,他们采用两块BBO晶体结合的自发参量下转换产生纠缠光子对,提出了对于非最大纠缠态时对CHSH不等式最大违反的检验方法(如图8),该实验获得数据是S=2.7277±0.0719,以10个标准偏差违反CHSH不等式。本实验是使用非最大纠缠态对Bell不等式进行检验的最早实验之一。

  

 

图8. 产生非最大纠缠态和测量S值的实验装置示意图[11]

  2003年,Aspelmeyer,Zeilinger等13位作者[12]在Science杂志发表“Long-Distance Free-Space Distribution of Quantum Entanglement”一文。文中实验使用了由Ⅱ类参量下转换BBO晶体产生的偏振纠缠的光子对,不同于以往的实验,此实验首次不借助于光纤传输,在分离600米的自由空间中完成。以此为基础,在2005年中国科学技术大学Jian-wei Pan(潘建伟)团队等13人[13]实现了纠缠光子在13公里长的自由空间中的分发,这是当时最长的距离。实验表明,两个纠缠光子即使已经穿越噪杂的城市环境(大气背景),所期望的纠缠依然存在。两项试验实验都是对CHSH不等式进行了检验,证明了对Bell不等式的违反。

  随着贝尔不等式的提出,人们可以在实验上检验量子非局域性。由于实验装置的不完美,绝大多数实验都存在漏洞,其中广受关注的漏洞包括探测效率漏洞和定域性漏洞等。在2015年,科学家们首次在二维纠缠体系中同时关闭了效率漏洞和定域性漏洞,并以此为基础发展出了各种设备无关的量子信息任务。2022年,我科学家也首次实现了无探测漏洞的高维贝尔不等式检验,中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、柳必恒研究组利用BBO晶体制备纠缠光子,将高维纠缠光子的总体探测效率提升到71.7%[14],从而实现了无探测漏洞的高维贝尔不等式检验(如图9)。该成果为进一步实现同时关闭探测漏洞和非局域性漏洞的高维贝尔不等式检验及设备无关的高维量子通信过程奠定重要基础。

  

 

图9.无探测漏洞的高维贝尔不等式实验装置示意图[14]

  总结与展望

  时至今日,虽然量子纠缠已被证实,但科学家们仍然在量子力学前进的道路上奋力前行。纵观纠缠光子实验的发展史,许多重要的量子纠缠实验均采用我们福晶科技所发明的BBO晶体,在制备纠缠光子的过程中起到了重要作用,也让我们有机会参与到在这场物理学重大哲学争论中来。

  科学家们通过BBO晶体设计出更简单、更稳定的纠缠光子实验方案,得到了亮度更高传播更远的纠缠光子,极大促进了这类实验以及对量子力学基础的研究。在量子纠缠实验中,越来越多的科学家选用BBO晶体,也让我们看到了我们的晶体在世界上深远广泛的影响以及更大的潜力和商业价值。未来我们相信,随着量子科学的发展,BBO晶体将会在量子通信、量子密码学、密集编码、隐形传态和量子计算等领域发挥重要作用,BBO晶体也将会拥有更广阔的市场。很荣幸我们的BBO晶体能身处于量子力学快速发展的时代并与之一路同行。

 

BBO晶体的发展之路

 

《LBO晶体的前世今生》一经推出,受到了许多光电小伙伴们的喜爱,小编在后台收到了不少热情的点赞和留言,希望能继续介绍福晶科技更多的晶体产品。小编备受鼓舞,一定会再接再厉,把“福晶小课堂”做成一个兼具知识性和趣味性的系列栏目。在留言中被“翻牌”最多的就属咱们另一位非线性晶体重磅选手——BBO,那今天咱们来聊一聊BBO晶体非同寻常的发展之路。

 
 
 
大家闺秀 闪亮登场

 

通过《LBO晶体的前世今生》,我们对1976年中国科学院福建物质结构研究所(文中简称为福建物构所)提出的大名鼎鼎的阴离子基团理论已经不陌生了吧。1977年,为了进一步开展新晶体材料研究,卢嘉锡先生组织建立了“非线性光学新材料探索组”。1979年,新材料探索组在大量的前期基础研究和文献调研后,研制出一种新型晶体材料,叫做“非线性光学晶体材料低温相偏硼酸钡”(β-BaB2O4),简称BBO晶体。BBO晶体的看家本领之一就是可以把激光的频率加倍,从而使光的波长变成一半,例如把红外光改变为可见的绿光,而且效率很高,因此具有极佳的应用价值(除了优异的非线性效应,BBO另一个突出的光学特性是电光效应)。这一发明,在世界材料界引起了巨大轰动,并被推上了风头浪尖。

 
 
 

照片左起:吴柏昌,陈创天,卢绍芳,江爱栋

 

 
 
结构之争 花落谁家

 

 

原来,德国科学家早已发表了研究结果,认定BBO晶体是有对称心的晶体。德国人一向以精细缜密而著称于世,国际上还未曾有人对上述研究结果表示质疑。科学家们知道,有对称心的晶体是不可能具有倍频性能的。那么,究竟是谁错了呢? 如果不能搞清BBO晶体的晶胞参数,确定BBO晶体的晶体结构,BBO的进一步研发将难以进行。福建物构所的结构化学专家卢绍芳研究员的具体任务就是承担BBO晶体的结构分析。八十年代伊始,福建物构所尚无四圆衍射仪,更无可用于直接分析结构的成套程序,需要经过一系列繁复操作、静心分析的经典步骤,最终才能解出该晶体的完整的空间结构。在黄金陵先生的指导下,经过近一年废寝忘食的研究,卢绍芳研究员终于以翔实的数据和无懈可击的实验报告得出了正确结论:BBO晶体是无对称心的晶体,1982年研究成果发表于《中国物理学报》上。

2006年应国外研究BBO晶体专家的建议,卢绍芳研究员在众多同事的协作下再次测定163K,即低温条件下BBO的空间结构,并与之前在293K,即常温的结果进行详细比较,为国外物理学家研究BBO极性晶体的物理性质提供准确的结构依据。在完成测定BBO晶体结构科研任务之后,吴以成先生和卢绍芳研究员等同事们协作努力,又完成了对福建物构所研制的三硼酸锂(也就是我们熟知的LBO)晶体的结构鉴定,为这两种“中国牌”的优良倍频晶体性能的研究提供了可靠的结构依据。此后,卢绍芳研究员系统地总结了一系列硼酸盐的结构特征,为这项创新研究的拓展作出了重大贡献。

 

照片左起:吴鼎铭,黄建全,黄金陵,卢绍芳,庄鸿辉

 

 

 
 
 
性能卓著 商界传奇
 

 

 

 

 

BBO的结构之争为何会引起学术界的轩然大波?这是因为一旦认定其结构,BBO晶体在商业上应用前景则不可限量,目前已经是世界上公认的最优秀的二阶非线性光学晶体之一。其优异的光学特性和应用领域主要有:

 

 

 

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);

 

 

 高的激光损伤阈值,约为10GW/cm2(100ps宽度,1064nm);

 

 

温度接收角宽(55℃左右)。

 

BBO晶体毛坯

BBO器件

 

 

 

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。

 

 

 

 

 

BBO晶体被誉为中国人按照自己的科学思想创造出来的第一块“中国牌”晶体。美国非线性光学晶体材料科学界在比较了“新中国发现BBO晶体的研究小组和美国的研究情况”之后,一些权威专家曾为“非线性光学材料研究方面的大部分新思想不是发源于美国”而感到担忧。

正是看到了BBO晶体的大有可为:很宽的调频范围可制成波长从可见到近红外全固态连续可调激光器,而其在深紫外和超快的应用能变革性的推动下一代超高精度加工发展,1988年福建物构所成立了福建晶体技术开发公司(福建福晶科技股份有限公司前身),自此开启了BBO晶体商业应用的征途,经过三十多年的发展,已成为世界上顶尖的超快和OPO激光公司的首选,全球市场占有率高达70%以上。

 

 
 
征战疆场 殊荣无数

作为科研珍奇之花在商业领域结出累累硕果的典范, BBO晶体斩获殊荣无数:

1984年
 

中国科学院科技进步奖特等奖

1985年
 
首届全国发明展览会发明一等奖
1986年
 

中科院科技进步奖特等奖

1987年
 

作为高技术工业化晶体产品,曾入选美国 “激光与光电子”杂志编委会和编辑顾问委员会组织评选的“十大新技术尖端产品”

1988年
 

首届陈嘉庚物质科学奖

1988年
 

其开发应用成果获中国科学院科技进步奖二等奖

1988年
 

第三世界科学院化学奖

1990年
 

获美国 《激光集锦》杂志授予的 “工业成就奖”

1993年
 

其专利获中国发明专利金奖

 
 
提升品质 互利共赢

自公司成立以来,BBO晶体作为福晶科技的拳头产品之一,一直受到格外的重视和呵护。不断地研发投入和品质提升,赢得了全球客户的青睐与信任。在 “光电行业发展的有力推动者”使命的激励下,福晶科技一如既往地关注市场的应用诉求,持续不断地提升BBO晶体的内在品质,尤其是进一步降低紫外波段的吸收,以及通过不断的生长和加工技术革新,进一步实现与客户的互利共赢,让BBO晶体的发展之路越走越宽广。

福晶科技厂区

下一期的“福晶小课堂”之晶体篇,大家想了解福晶科技的哪块晶体产品呢?欢迎大家给咱们留言,小编一定满足要求!

 
 

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