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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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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：
作为早期的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；
• 晶体长度从0.005mm-25mm,尺寸可达到15X15X15mm3；
• 镀增透膜(AR-coating) 或保护膜(P-coating) 晶体和重抛镀服务,配套支架可供选择
• 无可争议的价格和数量折扣；
• 备货充足；
• 发货快(抛光片交期10天，镀膜产品交期15天)
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 |
低 |
|
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 |
ne=1.5425,no=1.6551 ne=1.5555,no=1.6749 |
|
热光系数 |
dno/dT=-16.6x 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) |
|
光电系数 |
γ22=2.7pm/V |
|
半波电压 |
7KV (at 1064 nm,3x3x20mm3) |
|
损伤阈值 |
0.5GW/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，可输出最短从188.9nm-197nm的紫外光，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=更合适的BBO晶体形状和尺寸，以达到更佳的转换效率。
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 |
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 |
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。
规格指标：
• 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。
《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。
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
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
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。
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：
中国科学院科技进步奖特等奖
中科院科技进步奖特等奖
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”
首届陈嘉庚物质科学奖
其开发应用成果获中国科学院科技进步奖二等奖
第三世界科学院化学奖
获美国 《激光集锦》杂志授予的 “工业成就奖”
其专利获中国发明专利金奖
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
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