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LBO 晶体 - 三硼酸锂
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明。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。

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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福晶科技股份有限公司生长，加工和销售。

主要优点

可透光波段范围宽（160-2600 nm，参见图1）
光学均匀性好（δn≈10^-6/cm），内部包络少
倍频转换效率较高（相当于KDP晶体的3倍）
损伤阈值高
接收角度宽，走离角度小
I，II类非临界相位匹配（NCPM）的波段范围宽
光谱非临界相位匹配（NCPM）接近1300 nm

福晶科技可提供

严格的质量控制
大尺寸晶体，通光面可达55×55 mm²，长度可达60 mm
镀制增透膜（AR-coating），支架装配和重抛镀服务
库货充足
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）‍

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=2
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	α_x=10.8×10^-5 /K，α_y=-8.8×10^-5 /K，α_z=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）	dn_x/dT=-9.3×10^-6 dn_y/dT=-13.6×10^-6 dn_z/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）	n_x²= 2.454140 + 0.011249 / (λ² - 0.011350) - 0.014591 λ² - 6.60 × 10^-5 λ⁴ n_y² = 2.539070 + 0.012711 / (λ² - 0.012523) - 0.018540 λ² + 2.00 × 10^-4 λ⁴ n_z² = 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）。据报道使用福晶科技生产的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

对于2W锁模钛宝石激光器（＜2 ps，82 MHz），使用LBO晶体倍频可输出功率大于480 mW的395 nm激光。
使用18 mm II类LBO晶体倍频的调Q Nd:YAG激光可获得功率大于80 W的绿光输出。
使用9 mm LBO晶体的LD泵浦Nd:YLF激光器（＞500 μJ @ 1047 nm，＜7 ns，0-10 KHz）的倍频转换率可大于40％。
利用LBO晶体和频效应可输出187.7 nm 波长的真空紫外光。
对调Q Nd:YAG激光进行腔内三倍频可获得输出脉冲能量达2 mJ @ 355 nm的衍射极限光束。

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。福晶科技为配合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）

LBO晶体的OPO和OPA

对25 W Antares锁模Nd:YAG激光器（76 MHz，80 ps）腔外倍频可获得平均功率大于11 W的532 nm激光。
将医用多模调Q Nd:YAG激光倍频可输出20 W的绿光，输入功率越大则输出功率越高。

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

以355 nm为泵浦光源的OPO具有较高的整体转换率，输出540-1030 nm的可调谐波长。
有报道由355 nm光泵浦的I类LBO晶体OPA可实现30% pump-to-signal 能量转换率。
由308 nm XeC1 准分子激光为泵浦光源的II类匹配NCPM-OPO系统可实现16.5%的能量转换率，通过不同的泵浦源和温度调节可以获得适合的可调谐波长范围。
根据不同的泵源和温度调谐可获得更宽的波长调谐。
利用NCPM技术，以Nd:YAG激光器输出的532 nm谐波为泵浦光源，在106.5-148.5 ℃的温度调谐下，I类LBO晶体OPA可输出在750-1800 nm范围的调谐波长。
以II类的NCPM LBO作光学参量发生器（OPG），I类临界相位BBO晶体作光学参量放大器（OPA），用4.8 mJ，30 ps，354.7 nm的激光泵浦，可得较窄线宽（0.15 nm）和较高pump-to-signal 能量转换率（32.7%），通过提高LBO晶体的温度或旋转BBO可得到波长调谐范围为线415.9-482.6 nm的光。

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

可镀制用于1064 nm倍频的双波长增透膜（DBAR），用于1064nm三倍频的三波长增透膜
增透膜具有低反射率（R＜0.2% @ 1064 nm，R＜0.5% @ 532 nm，R＜0.2% @ 355 nm），还可根据应用需要镀制超低反射率（R＜0.05% @ 1064 nm，R＜0.1% @ 532 nm）增透膜
宽带增透膜（BBAR）适合于可调谐激光器的倍频应用
根据客户应用需求选择IBS或IAD镀膜技术
高抗激光损伤阈值
使用寿命长
可提供膜系定制服务

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：

LBO晶体有易潮解性，建议用户在干燥的环境中使用和保存晶体
请小心操作，勿损伤LBO晶体抛光面
可按客户需求定制LBO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

激光舞台，拉开帷幕

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

中国晶体，横空出世

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，系福建福晶科技股份有限公司前身），把LBO、BBO晶体市场化重任托付给了福晶科技。在福晶科技的精心调教下，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，福晶科技得以于2008年在深圳股票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，福晶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，福晶公司更加重视研发，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。