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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。
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。
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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