β相偏硼酸鋇晶體（β-BaB2O4，簡稱BBO）
β相偏硼酸鋇晶體(β-BaB2O4)
BBO（β相偏硼酸鋇晶體，β-BaB2O4）是由中國科學院物質結構研究首次發現和研制的新型紫外倍頻晶體。
BBO晶體的主要優點
* 可實現相位匹配的波段范圍寬（409.6—3500nm）
* 可透過波段范圍寬（190—3500nm）
* 倍頻轉換效率高(相當于KDP晶體的6倍）
* 光學均勻性好
* 高損傷閾值（100ps脈寬的1064nm10GW/cm^2）
* 溫度接收角寬（55℃左右）
BBO晶體的主要應用
* Nd:YAG和Nd:YLF激光的二,三,四,五倍頻
* 染料激光的倍頻,三倍頻和混頻
* Ti:Sappire和Alexandrite激光的二,三,四倍頻
* 光學參量放大器(OPA)與光學參量振蕩器(OPO)
* 氬離子,紅寶石和Cu蒸汽激光器的倍頻
* 在全固態可調激光,超快脈沖激光,深紫外激光等高、精、尖激光技術領域的研發領域
BBO晶體的主要性能：
BBO 是一種負單軸晶體，它的o-ray折射系數（no）要比e-ray（ne）折射系數大，可通過Selleimer方程來計算(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
通過角度調諧可獲得I、II類的相位匹配。
BBO晶體有效倍頻系數由下列方程式得出：
I類:deff=d31sinθ+(d11cos3φ-d22sin3φ)cosθ
II類:deff=(d11sin3φ+d22cos3φ)cos2θ
θ 和φ分別指向極坐標中的z(=c)和x(=a)
BBO晶體的結構和物理特性：
| 晶體結構 | 三方晶系，空間群 R3c |
| 單孢參數 | a=b=12.532A,c=12.717A,Z=7 |
| 熔點 | 1095±5℃ |
| 相變點 | 925±5℃ |
| 光學均勻性 | δn≈10-6/cm |
| 莫氏（Mohs）硬度 | 4 |
| 密度 | 3.85 g/cm3 |
| 吸收系數 | <0.1%/cm(at 1064nm) |
| 比熱 | 1.91J/cm3 xK |
| 潮解性 | 低 |
| 熱膨脹系數 | a,4 x 10-6/K;c, 36x 10-6/K |
| 熱導率 | ⊥c,1.2W/m/K; //c, 1.6W/m/K |
BBO晶體線性光學特性
| 透光范圍 | 189-3500nm |
| 折射系數 at 1064 nm at 532 nm at 266 nm |
ne=1.5425,no=1.6551 ne=1.5555,no=1.6749 ne=1.6146,no=1.75711 |
| 熱光系數 | dno/dT=-16.6x 10-6/℃ dne/dT=-9.3x 10-6/℃ |
BBO晶體非線性光學特性：
| 相位匹配輸出波長 | 189-1750nm |
| 非線性光學系數 | d11=5.8 x d36(KDP) d31=0.05 x d11 d22<0.05 x d11 |
| 光電系數 | γ22=2.7pm/V |
| 半波電壓 | 7KV(at 1064 nm,3x3x20mm) |
| 損傷閾值 at 1064nm at 532nm |
0.5GW/cm2 (10ns, 10HZ, AR-coated) 0.3GW/cm2 (10ns, 10HZ, AR-coated) |
BBO晶體在Nd:YAG激光器中的應用
BBO晶體在Nd:YAG激光二、三、四倍頻上的性能優異，是213nm光五倍頻的最佳選擇。二倍頻的轉換效率大于70％，三倍頻60％，四倍頻50％，213nm光五倍頻的輸出功率可達200mW。表1是Nd:YAG激光下BBO和KD*P的性能比較。表2是BBO從二倍頻到五倍頻的基本非線性光學特性比較。
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表 2. I BBO 晶體的NLO特性
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| SHG | THG | 4HG | 5HG | |
| 有效NLO系數 (d36(KDP)) | 5.3 | 4.9 | 3.8 | 3.4 |
| 接受角(mrad-cm) | 1.0 | 0.5 | 0.3 | 0.2 |
| 走離角 (degree) | 3.2 | 4.1 | 4.9 | 5.5 |
由于BBO具有較小的接受角和較大的走離角，因此獲得理想的轉換效率的關鍵是使用較好質量的基頻光（具有小的發散角，較好的模式條件等）。我們不推薦對基頻光光束進行聚焦。
BBO晶體應用于可調諧激光
1.染料激光
用I類BBO可輸出二次諧波效率超過10％，波長大于206nm的紫外線(205nm-310nm)。用150KW染料激光器泵浦的XeC1激光可獲得36％的轉換率，是ADP的4-6倍。最短204.97nmSHG波長光得到的轉換率約為1％。
BBO廣泛應用于染料激光器中。用BBO將780-950nm和248.5nm光（495nm染料激光的SHG輸出）進行I類和頻，可輸出從188.9nm-197nm的最短紫外光，其中193nm激光的脈沖能量為95mJ，189nm激光的脈沖能量為8mJ。
2.超快脈沖激光
在超快脈沖激光的二、三倍頻中，BBO的性能要大大優于KDP和ADP。目前，我們可提供的BBO晶體最小厚度為0.01mm。在相速度匹配和群速度匹配方面，用一個小型BBO晶體可達到10fs激光脈沖的有效倍頻。
3.鈦寶石激光和Alexandrite激光
使用BBO晶體的Alexandrite激光的I類二次諧波可輸出波長范圍360nm-390nm的紫外光，其中378nm波長激光的脈沖能量為105mJ（31％的二次諧波轉換率），三次諧波可輸出波長范圍244nm-259nm，脈沖能量7.5mJ（24％的混頻轉換率）的紫外光。
鈦寶石激光可獲得大于50％的二次諧波轉換效率，以及更高的三次和四次諧波轉換效率。
4. 氬離子激光和銅蒸氣激光
在應用腔內倍頻技術的全線功率為2W的氬離子激光中，Brewster斜切BBO晶體可獲得波長范圍在228.9nm-257.2nm的36線深紫外光，最大功率33mW（波長250.4nm）。
5106.nm的銅蒸氣激光的二次諧波輸出的紫外線功率可達230mW（波長255.3nm），最大能量轉換率為8.9％。
BBO晶體在OPO和OPA中的應用
BBO在OPO和OPA中的功能非常強，可產生從紫外線到紅外線的一系列可調諧激光。圖5和圖6分別是I類和II類BBO在OPO、OPA中的調諧角度的計算結果。
1.532nm泵浦OPO
一個7.2mm長的I類BBO晶體可獲得波長范圍680 nm-2400nm的OPO輸出，峰值功率1.6MW，能量轉換率可達30％。輸入泵浦能量為532nm波長40mJ，脈沖寬度為75ps。較長的BBO晶體可獲得更高的能量轉換率。
2.355nm泵浦OPO和OPA
用Nd:YAG激光泵浦，使用BBO的OPO的輸出能量超過100mJ，波長范圍400nm-2000nm。BBO晶體的OPO系統輸出的可調諧波長范圍在400nm-3100nm，確保了波長430nm-2000nm部分的能量轉換率在18％-30％之間。
II類BBO可用來減小線寬。我們用BBO獲得了0.05nm的線寬和12％的轉換率。但是，在II類相位匹配中，一個較長的BBO晶體(>15mm)通常被用來減小起振閾值。
用一個355nm波長的皮秒Nd:YAG激光來泵浦使用BBO的OPA獲得的脈沖具有窄帶(<0.3nm)，能量高(>200μJ)和可調諧性寬(400nm-2000nm)的特點。這種OPA可獲得超過50％的最大能量轉換率，因此在很多方面都比通常的染料激光性能優越，如轉換率高，可調諧范圍寬，易維護，設計簡單，操作簡便等。 另外，使用BBO的OPO或二次諧波BBO的OPA可獲得205nm-3500nm范圍的連續激光。
3.其他
對被308nm波長的XeCl準分子激光泵浦的I類BBO晶體進行角度調諧可獲得一個信號波長范圍422nm-477nm的可調OPO。用266nm波長的Nd:YAG激光的四次諧波對使用BBO的OPO泵浦可輸出一個完整的330nm -1370nm的波長范圍。
用615nm波長，1mJ，80fs的染料激光泵浦使用兩塊BBO晶體的OPA，可獲得大于50μJ (最大130μJ)的能量,小于200fs的超短波脈沖, 800nm-2000nm的波長范圍.
最佳BBO晶體形狀和切割
我們會根據客戶的要求和具體使用情況，來選擇最合適的BBO晶體形狀和尺寸，以達到最佳的轉換效率。
我們生產的BBO設備能夠很好地體現晶體的切割方向和尺寸特征。方向完全由非線性光學過程來決定，例如，對1064nm波的I類倍頻，BBO的切割角為θ=22.8°，φ=0°。晶體尺寸通過三維尺寸來描述，如W x H x L(mm3)。為了選擇一個最合適的寬度（W），應該首先考慮影響晶體的光束直徑和波長可調諧范圍。 最佳的晶體高度（H）應該比光束直徑稍大（如1-2mm）。雖然BBO晶體通常的設計長度（L）為7mm，但是根據使用情況來選擇最佳值仍為上策。 例如，OPO或OPA使用的晶體長度為12mm，而超短波脈沖激光的二次、三次諧波需要的晶體長度不超過1mm。
我們對不同的應用情況推薦相對應的晶體尺寸和切割，列表如下(假定光束直徑對晶體的影響為φ2mm- φ3mm)：
1.Nd:YAG激光諧波效果
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1064nm
|
Type I, 4x4x7mm,22.8°-cut | 532nm |
|
Type I, 4x4x7mm,31.3°-cut
Type II, 4x4x7mm,38.6°-cut |
355nm | |
| Type I, 4x4x7mm,47.68°-cut | 266nm | |
| Type I, 4x4x7mm,51.1°-cut | 213nm |
2.Nd:YAG激光諧波泵浦的OPO和OPA
| 532nm | Type I, 4x4x12-15mm,21°-cut | 680-2600nm |
| 355nm | Type I, 6x4x12-15mm,30°-cut Type II, 7x4x15-20mm,37°-cut |
410-2600nm |
| 266nm | Type I, 6x4x12-15mm,39°-cut | 295-2600nm |
3.染料激光倍頻
| 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.鈦寶石激光諧波
| 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、三倍頻
| 720-800nm | Type I, 4x4x7mm,31°-cut | 360-400nm |
| Type I, 7x4x7mm,48°-cut | 240-265nm |
6.Brewster斜切BBO的氬離子激光腔內倍頻
| 514nm | Type I, 4x4x7mm,51°B-cut | 257nm |
| 488nm | Type I, 4x4x7mm,55°B-cut | 244nm |
7.銅蒸氣激光倍頻
| 510nm | Type I, 4x4x7mm,50°-cut | 255nm |
| 578nm | Type I, 4x4x7mm,42°-cut | 289nm |
BBO晶體技術指標
* 波前畸變:小于 λ/8 @ 633nm
* 尺寸公差:(W±0.1mm)x(H±0.1mm)x(L±0.2mm/-0.1mm)
* 通光孔徑: 大于 90% 中央直徑
* 平面度: λ/8 @ 633nm
* 光潔度:10/5 to MIL-PRF-13830B
* 平行度: 優于20秒
* 垂直度: 5 分
* 角度偏差: △θ≤±0.25°,△φ≤±0.25°
1)BBO 楔角:
|
技術指標:
材料: ......................................BBO(β-BaB2O4)
定向: ....................................................0.3 度
光潔度:....................................................10-5 面形:...............................................Lambda/4
波前畸變: .......................................Lambda/10
 |
 |
||||
|
Part No.
|
A(mm)
|
B(mm)
|
H(mm)
|
Theta(mm)
|
Phi (mm)
|
楔角(mm)
|
|
BBO 101
|
5.0
|
8.0
|
3.0
|
27°
|
30°
|
20'
|
|
BBO 102
|
4.0
|
4.0
|
7.0
|
31°
|
0°
|
5'
|
|
BBO 103
|
12.0
|
12.0
|
2.0
|
47°
|
0°
|
5'
|
|
BBO 104
|
14.0
|
8.0
|
21.0
|
36°
|
30°
|
2°
|
|
BBO 105
|
12.0
|
6.5
|
21.0
|
36°
|
30°
|
2°
|
|
備注: 其它尺寸及技術指標可依客戶要求加工.
|
||||||
|
技術指標:
材料: ........................................BBO(β-BaB2O4)
定向: .......................................................0.3 度
光潔度: .....................................................10-5 面形: ................................................Lambda/4
波前畸變: ........................................Lambda/10
倒角: ................................................0.25x45度
 |
 |
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|
Part No.
|
A(mm)
|
B(mm)
|
H(mm)
|
Theta
|
Phi
|
|
BBO 201
|
10.0
|
8.0
|
7.0
|
76°
|
0°
|
|
BBO 202
|
10.0
|
8.0
|
7.0
|
54°
|
0°
|
|
BBO 203
|
10.0
|
8.0
|
7.0
|
38°
|
0°
|
|
BBO 204
|
10.0
|
8.0
|
7.0
|
60°
|
0°
|
|
備注: 其它尺寸及技術指標可依客戶要求加工.
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