三硼酸鋰（LiB3O5，簡稱LBO）
三硼酸鋰（LiB3O5）
三硼酸鋰（LiB3O5 or LBO）是一種極佳的非線性光學晶體，主要優點有：
* 可透光波段范圍寬（160—2600nm）
* 光學均勻性好，內部包絡少
* 倍頻轉換效率較高(相當于KDP晶體的3倍）
* 高損傷域值（1.3ns脈寬的1053nm激光可達10GW/cm2)
* 接收角度寬，離散角度小
* I,II類非臨界相位匹配（NCPM）的波段范圍寬
* 光譜非臨界相位匹配（NCPM）接近1300nm
LBO晶體的主要應用：
二倍頻方面:
1. 醫用與工業用途的Nd:YAG激光
2. 科研與軍事用途的高功率Nd:YAG與Nd:YLF激光
3. Nd:YVO4,Nd:YAG和Nd:YLF激光的泵浦
4. 紅寶石,Ti:Sappire與Cr:LiSAF激光
三倍頻方面:
1. Nd:YAG與Nd:YLF激光
2. 光學參量放大器(OPA)與光學參量振蕩器(OPO)
3. 高功率1340nm的Nd:YAP激光的二,三倍頻
LBO晶體的生長和結構
采用熔鹽提拉法生長工藝生產三硼酸鋰（LBO）晶體。LBO是一種點群mm2的斜方晶體，由連續的網狀B3O7分子群組成，并有鋰離子填充在分子間隙。B3O7分子群緊湊的結構使得LBO晶體難以包含任何雜質。
LBO晶體的物理和化學特性:
| 晶體結構 | 斜方晶系, 空間群Pna21, 點群mm2 |
| 晶格參數 | a=8.4473A,b=7.3788A,c=5.1395A,Z=2 |
| 熔點 | 約834℃ |
| 莫氏（Mohs）硬度 | 6 |
| 密度 | 2.47g/cm3 |
| 熱膨脹系數 | αx=10.8x10-5/K, αy=-8.8x10-5/K,αz=3.4x10-5/K |
| 吸收系數 | ＜0.1%/cm at 1064nm |
LBO 屬負雙軸晶體， 主軸X,Y,Z (nz＞ny＞nx) 分別與結晶軸a,c,b平行。 下表給出了LBO晶體在不同波長下的折射系數。折射系數與波長的關系可用塞米爾（Selleimer） 方程式表示如下(λ表示μm)：
n2x=2.454140+0.011249/(λ2-0.011350)-0.014591λ2-6.60×10-5λ4
n2y=2.539070+0.012711/(λ2-0.012523)-0.018540λ2+2.00×10-4λ4
n2z=2.586179+0.013099/(λ2-0.011893)-0.017968λ2-2.26×10-4λ4
在1.064um光下，LBO晶體的有效SHG系數是KDP的3倍. 點群mm2的LBO晶體的非零非線性（光學）極化率 計算如下：
LBO晶體主要折射系數:
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d31=1.05±0.09pm/V
d32=-0.98±0.09pm/V d33=0.05±0.006pm/V |
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LBO的光損傷閾值是常用無機非線性光學晶體中最高的。因此，它是高功率二次諧波發生器和其他非線性光學應用的最佳選擇。LBO與其他常用晶體在1.3ns 1053nm Nd:YLF激光下的光損傷閾值比較如下:
LBO晶體1053nm光損傷閾值:
晶體能量密度(J/cm2)及功率密度(GW/cm2) 比率
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1053nm光損傷閾值
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晶體
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能量密度 (J/cm2)
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功率密度(GW/cm2)
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比率
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KTP
KDP BBO LBO |
6.0
10.9 12.9 24.6 |
4.6
8.4 9.9 18.9 |
1.00
1.83 2.15 4.10 |
室溫下LBO的SHG 及THG特性
LBO 可用于Nd:YAG和Nd:YLF激光二、三倍頻的相位匹配，I類、II類匹配皆可。在室溫下，二次諧波可達到I類匹配，在551nm至3000nm的較大波長范圍內，最大的有效倍頻系數在XY和XZ面上（見圖1）為：
deff(I)=d32cosφ ----(in XY plane)
deff(I)=d31cos2θ+d32sin2θ ----(in XZ plane)
LBO晶體最佳II類匹配的有效倍頻系數在YZ和XZ面上為：
deff(II)=d31cosθ ----(in YZ plane)
deff(II)=d31cos2θ+d32sin2θ ----(in XZ plane)
使用LBO的Nd:YAG激光在脈沖模式下獲得的二次諧波轉換率大于70%，三次諧波轉換率大于60%，在連續模式下獲得的二次諧波轉換率大于30%。
LBO晶體應用：
• 對2W鎖模鈦寶石激光(＜2ps, 82MHz)倍頻可輸出功率大于480mW的395nm波長激光，利用5x3x8 mm3 尺寸的LBO晶體可獲得的波長范圍在700-900nm。
• 使用II類18mmLBO晶體的調Q Nd:YAG激光倍頻可得到功率大于80W的綠色光。
• 使用9mmLBO晶體的泵浦Nd:YLF激光(＞500μJ @1047nm,＜7ns,0-10KHz)倍頻轉換率大于40％。
• 利用LBO晶體和頻效應可獲得187.7nm波長的真空紫外光。
• 對調QNd:YAG激光進行腔內三倍頻可獲得輸出脈沖能量2mJ的衍射極限光束。
LBO晶體非臨界相位匹配
LBO晶體的非臨界相位匹配具有無離散、接受角度寬、有效系數大的特點，充分利用這一特性可使LBO發揮最佳功效。 使用LBO的Nd:YAG激光在脈沖模式下獲得的二次諧波轉換率大于70%，在連續模式下獲得的二次諧波轉換率大于30%，且光束質量好，輸出穩定。
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Table 4. 1064nm光 I 類NCPM SHG特性
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| NCPM 溫度 接受角 離散角 溫度線寬 有效SHG系數 |
148℃ 52 mrad-cm1/2 0 4℃-cm 2.69d36(KDP) |
如室溫下LBO晶體可在X軸和Z軸方向分別獲得I類和II類非臨界相位匹配。而且，NCPM頻率有可能在X軸或Z軸方向上使波長同時加倍。
LBO晶體應用：
• 對25W Antares鎖模Nd:YAG激光(76MHz,80ps)腔外倍頻可獲得平均功率大于11W的532nm激光。
• 醫用多模調QNd:YAG激光倍頻可輸出20W的綠色光，輸入功率越大輸出功率越高。
• LBO 能達到1300nm波長的溫度調諧NCPM 和較大帶寬的波譜NCPM。1300nm的Nd激光倍頻輸出紅色光的性能較好。
1) LBO:
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技術指標:
材料: .........................................LBO(LiB3O5) 定向誤差: ..............................................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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產品號.
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A(mm)
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B(mm)
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L(mm)
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Theta
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Phi
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LBO 101
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3.0
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3.0
|
15.0
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90°
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9°
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LBO 102
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5.0
|
3.0
|
15.0
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43.7°
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90°
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LBO 103
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5.0
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3.0
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8.0
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90°
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19°
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備注: 其它尺寸及指標可依客戶要求加工.
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2) LBO 楔角:
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技術指標:
材料: ............................................LBO(LiB3O5) 定向精度: .................................................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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產品號
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A(mm)
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B(mm)
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L(mm)
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Theta
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Phi
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楔角
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LBO 201
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3.0
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3.0
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16.0
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90°
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0°
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1.5°
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備注: 其它尺寸及指標可按客戶要求加工.
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