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LBO
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  • LBO 晶体

  • 三硼酸锂(LiB3O5 or 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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LBO晶体的主要优点:

      • 可透光波段范围宽(160—2600nm);
      • 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);
      • 高损伤域值(脉宽为1.3ns的1053nm激光可达10GW/cm2);
      • 接收角度宽,离散角度小;
      • 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1300nm。

 

LBO晶体的主要应用: 
     1. 二倍频方面:

         • 医用与工业用途的Nd:YAG激光;
         • 科研与军事用途的高功率Nd:YAG与Nd:YLF激光;
         • Nd:YVO4, Nd:YAG和Nd:YLF激光的泵浦;
         • 红宝石, Ti:Sappire与Cr:LiSAF激光。


     2. 三倍频方面:

        • Nd:YAG与Nd:YLF激光;
        • 光学参量放大器(OPA)与光学参量振荡器(OPO);
        • 高功率1340nm的Nd:YAP激光的二,三倍频。


LBO晶体产品规格:
     
• 严格的质量控制;
      • 最大晶体尺寸达到30X30X30mm3,最大长度60mm;
      • 镀增透膜(AR-coating)晶体和重抛镀业务,配套温控炉及支架可供选择;
      • 备货充足;
      • 快速发货(抛光片交期10天,镀膜产品交期15天)。

LBO晶体的生长和结构:
      
我司采用熔盐提拉法生长工艺生产三硼酸锂(LBO)晶体。LBO是一种点群mm2的斜方晶体,由连续的网状B3O7分子群组成,并有锂离子填充在分子间隙。B3O7分子群紧凑的结构使得LBO晶体难以包含任何杂质。

 

表1.  LBO晶体的物理和化学特性

晶体结构

斜方晶系, 空间群Pna21, 点群mm2

晶格参数

a=8.4473Å,b=7.3788Å,c=5.1395Å,Z=2

熔点

约834℃

莫氏(Mohs)硬度

6

密度

2.47g/cm3

热膨胀系数

αx=10.8x10-5/K, αy=-8.8x10-5/K,αz=3.4x10-5/K

吸收系数

<0.1%/cm at 1064nm

  

图1. LBO的透射曲线

LBO晶体的光学及非线性光学特性:

LBO 属负双轴晶体, 主轴X,Y,Z (nz>ny>nx) 分别与结晶轴a,c,b平行。 表2. 给出了LBO晶体在不同波长下的折射系数。折射系数与波长的关系可用塞米尔(Sellmeier) 方程式表示如下(λ单位:μm):


nx2=2.454140+0.011249/(λ2-0.011350)-0.014591λ2-6.60×10-5λ4
ny2=2.539070+0.012711/(λ2-0.012523)-0.018540λ2+2.00×10-4λ4
nz2=2.586179+0.013099/(λ2-0.011893)-0.017968λ2-2.26×10-4λ4 

 

 在1.064um光下,LBO晶体的有效SHG系数是KDP的3倍. 点群mm2的LBO晶体的非零非线性(光学)极化率 计算如下:

d31=1.05±0.09pm/V
d32=-0.98±0.09pm/V
d33=0.05±0.006pm/V


表2. LBO晶体主要折射系数

  波长(nm)

  nx

  ny

  nz

  1064

  1.5656

  1.5905

  1.6055

  532

  1.5785

  1.6065

  1.6212

  355

  1.5973

  1.6286

  1.6444

 

LBO的光损伤阈值是常用无机非线性光学晶体中最高的。因此,它是高功率二次谐波发生器和其他非线性光学应用的最佳选择。表3将LBO与其他常用晶体在1.3ns脉宽 1053nm Nd:YLF激光下的光损伤阈值进行了比较。


表3. LBO晶体1053nm光损伤阈值
晶体能量密度(J/cm2)及功率密度(GW/cm2) 比率
 

晶体

能量密度(J/cm2

功率密度(GW/cm2

比率

KTP

KDP

BBO

LBO

6.0

10.9

12.9

24.6

4.6

8.4

9.9

18.9

1.0

1.83

2.15

4.10

 

室温下LBO的SHG及THG特性:
       LBO 可用于Nd:YAG和Nd:YLF激光二、三倍频的相位匹配,I类、II类匹配皆可。在室温下,二次谐波可达到I类匹配,在551nm至2600nm的较大波长范围内,最大的有效倍频系数在XY和XZ面上(见图2)为:

deff(I)=d32cosφ ----(Type in XY plane)
deff(I)=d31cos2θ+d32sin2θ ----(Type in XZ plane)

 

 
    LBO晶体最佳II类匹配的有效倍频系数在YZ和XZ面上(见图2)为:


deff(II)=d31cosθ ----(Type II in YZ plane)
deff(II)=d31cos2θ+d32sin2θ ----(Type II in XZ plane)

 

 

 

图2. LBO的SHG调谐曲线

 

表4. 1064nm光 I 类NCPM SHG特性

NCPM 温度

148℃

接受角

52 mrad·cm

离散角

0

温度线宽

4℃·cm

有效SHG系数

2.69×d36(KDP)

 

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。而且,NCPM频率有可能在X轴或Z轴方向上使波长同时加倍。
图3还给出了LBO晶体在900nm-1700nm较宽基波范围内的温度调谐NCPM测量结果。Nd:YAG1064nm激光NCPM SHG特性在表4列出.

 

图3. NCPM温度调谐曲线

                                                                                                      
LBO晶体应用:
      • 对25W Antares锁模Nd:YAG激光(76MHz,80ps)腔外倍频可获得平均功率大于11W的532nm激光。
      • 医用多模调QNd:YAG激光倍频可输出20W的绿色光,输入功率越大输出功率越高。
      • LBO 能达到1300nm波长的温度调谐NCPM 和较大带宽的波谱NCPM。1300nm的Nd激光倍频输出红色光的性能较好。


采用LBO的OPO与OPA:
      LBO应用在OPO和OPA中具有较宽的调谐波长范围和较高功率的特点,是一种性能优异的非线性光学晶体。现已有应用308nmNd:YAG激光和XeCl受激准分子激光二、三倍频泵浦的光学参量放大器(OPA)和光学参量振荡器(OPO)的报道。LBO 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提供了在室温下XY面上Nd:YAG激光二、三、四倍频泵浦的LBOI类OPO调谐曲线。图5是在YZ面和XZ面由Nd:YAG激光二、三倍频泵浦的LBOII类OPO调谐曲线。

 

图4. 类型Ⅰ OPO调谐曲线图

 

5. 类型Ⅱ OPO调谐曲线

 

应用:
     
• OPO可由355nm波长光实现相当好的转换效率以及输出540-1030nm范围的波长。
      • 有报道I类LBO晶体OPA可由355nm波长光实现30% pump-to-signal 能量转换率。
      • II类NCPM  LBO晶体OPO可由308nmXeCl准分子激光泵浦实现16.5%的能量转换率,根据不同的泵源和温度调谐可获得一定范围内的可协调波长。
      • 利用NCPM技术, I类LBO晶体OPA可在106.5℃-148.5℃温度下由532nm波长Nd:YAG激光倍频泵浦输出从750nm-1800nm的可调范围波长。
      • 以II类的NCPM LBO 作为光学参量发生器(OPG),I类临界相位BBO作为光学参量放大器(OPA),用4.8mJ, 30ps,354.7nm波长的激光泵浦,可获得较窄的线宽(0.15nm) 和较高的pump-to-signal 能量转换率(32.7%) 。通过提高LBO的温度和旋转BBO可得到波长从482.6nm-415.9nm 的光。


LBO晶体防反射镀膜(增透膜):

      我司供应下列特性的防反射镀膜
       • Nd:YAG激光倍频LBO双频反射镀膜(DBAR);
      低反射(1064nm波长 R<0.2%,532nm波长 R<0.5% );高光损伤阈值(双波段>500MW/cm2);功效长;
       • 可调激光倍频LBO宽频防反射镀膜(BBAR);
        提供规格可定制的其他镀膜。

 

LBO 品质保证规范:
       波前畸变 : 小于λ/8 @ 633nm;
       尺寸公差 : (W±0.1mm)x(H±0.1mm)x(L+0.5/-0.1mm) (L≥2.5mm)

                            (W±0.1mm)x(H±0.1mm)x(L+0.1/-0.1mm)  (L<2.5mm)

       通光孔径 :  90% 中央直径;
       50mW绿光检测无可见散射路径;
       平面度 : λ/8 @ 633nm;
       光洁度 : 10/5 to MIL-PRF-13830B;
      • 平行度 : 优于20 arc seconds;
      • 垂直度 : 5 arc minutes;
      • 角度偏差 : △θ≤0.25°,△φ≤0.25°;
      • 损伤阈值(GW/cm2) :  >10 for 1064nm, TEM00, 10ns, 10HZ (polished only)
                                             >1 for 1064nm, TEM00, 10ns, 10HZ (AR-coated)
                                             >0.5 for 532nm, TEM00, 10ns, 10HZ (AR-coated);
      • 品质保证期: 一年内正常使用。

 

备注:
       • LBO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LBO晶体抛光面。
       • 客户如需定制LBO晶体,请提供激光器的主要性能参数,如脉冲能量,脉冲宽度,脉冲光重复频率率,连续光功率,光束直径,模式条件,发散角,可调波长范围等。

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。

 

 
 
 
 

         

 
 
 
 
 

 

战功赫赫,继往开来

 
 
 
 
 

    

    正是因为LBO晶体拥有如此优秀的性能,加上物构所和福晶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。

LBO晶体所获荣誉:
 
 

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,福晶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。

 
 

         

 
 
 
 
 

 

 
 
 
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