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掌握LBO晶体:基础知识、技术和应用

时间:2023-12-20 来源:新特光电 访问量:3056

第 1 章 LBO晶体的基础知识

LBO晶体的晶体结构和物理性质:

LBO是一种单斜结构的非中心对称晶体,属于空间群C2(点群2)。LBO的晶体结构由三硼酸根(BO3)和锂(Li)离子组成。BO3基团呈三角形排列,在晶体结构中形成六元环。Li离子占据BO3基团之间的间隙位置。

LBO晶体具有优异的物理特性,如高热稳定性、高损伤阈值和宽透明度范围。与其他非线性晶体相比,LBO 的热导率相对较低,这使得它更容易受到热效应的影响。然而,可以通过在晶体生长和器件操作期间使用适当的冷却技术来减轻这种情况。

LBO非线性晶体结构

LBO晶体中的相位匹配条件:

LBO晶体最关键的特性之一是其实现相位匹配以实现高效频率转换的能力。相位匹配是基波和谐波的波矢量匹配的条件,从而能够将基波频率转换为谐波频率。LBO晶体中的相位匹配条件取决于多种因素,例如晶体取向、温度和波长。

在 LBO晶体中实现相位匹配的最常见方法是角度调谐,即旋转晶体以找到满足相位匹配条件的最佳角度。最佳角度取决于非线性过程的类型、波长和晶体厚度。在 LBO晶体中实现相位匹配的其他方法包括温度调谐和准相位匹配。

LBO晶体的非线性光学系数:

二次谐波,1064 nm + 1064 nm → 532 nm

LBO晶体的非线性光学系数在决定倍频和其他非线性光学过程的效率方面起着至关重要的作用。最重要的系数是二次谐波产生 (SHG) 系数,它负责 LBO晶体中的倍频。LBO的倍频系数比常用的非线性晶体磷酸二氢钾(KDP)高约1.5倍。

LBO晶体的SHG系数取决于多种因素,例如晶体取向、温度和晶体质量。LBO晶体中获得最大倍频效率的最佳晶体方向是 I 型相位匹配方向,它对应于输入和输出偏振之间的 90 度角。

LBO晶体生产的晶体生长方法:

已经开发出多种晶体生长方法来生产高质量的 LBO晶体。最常用的方法是直拉法、助熔剂法和顶晶溶液生长(TSSG)法。

直拉法是一种成熟的生长大型、高质量单晶的技术。它包括在坩埚中熔化起始材料,并从熔体中缓慢拉出籽晶,同时旋转晶体以保持均匀生长。助熔剂法是另一种常见的技术,涉及将起始材料溶解在助熔剂中并缓慢冷却溶液以形成晶体。

TSSG方法是一种相对较新的技术,因其能够生产低缺陷密度的高质量晶体而受到欢迎。它涉及使用籽晶从过饱和溶液中引发晶体生长。TSSG方法可以生产具有受控缺陷密度和取向的晶体,这对于实现最佳相位匹配条件至关重要。

总之,本章概述了 LBO晶体的基础知识,包括晶体结构、物理性质、相位匹配条件、非线性光学系数和晶体生长方法。了解这些特性对于设计和生长适用于各种应用的高质量 LBO晶体至关重要

第 2 章 LBO晶体的晶体生长技术

晶体生长是生产高质量LBO晶体的关键步骤。晶体生长技术的选择可以显着影响所得晶体的晶体质量、缺陷密度和光学特性。本章详细讨论了用于 LBO晶体生产的不同晶体生长技术。

直拉法:

直拉法是一种成熟的晶体生长技术,几十年来一直用于生产高质量单晶。在此方法中,起始材料,通常是氧化锂 (Li2O) 和氧化硼 (B2O3),在高温(900 °C 以上)下在坩埚中熔化。将籽晶(通常是小型 LBO晶体)缓慢浸入熔体中,并以受控速率拉起,同时旋转以保持均匀生长。当籽晶被拉起时,它不断熔化并凝固形成单晶。

直拉法

直拉法可以生产具有优异晶体质量和低缺陷密度的大型 LBO晶体。然而,该方法相对较慢,需要仔细控制温度、旋转和提拉速率以保持均匀生长。此外,高温熔体会与坩埚材料发生反应,导致所得晶体中出现杂质和缺陷。

助熔剂法:

助熔剂法是LBO晶体生产的另一种常用技术。在此方法中,起始材料在高温(800 °C 以上)下溶解在助熔剂中,助熔剂通常是氟化钾 (KF) 和氧化硼 (B2O3) 的混合物。然后将溶液缓慢冷却以形成LBO晶体。

助熔剂法

助熔剂法可以生产缺陷密度低、光学质量高的大型 LBO晶体。使用助熔剂有助于减少晶体中的杂质和缺陷,从而提高晶体质量。然而,助熔剂方法可能难以控制,并可能导致晶体生长不均匀和晶体形状不规则。

顶晶溶液生长 (TSSG) 方法:

顶晶溶液生长(TSSG)方法是一种相对较新的技术,近年来在生产高质量 LBO晶体方面得到了普及。在此方法中,将小籽晶放置在生长容器中的起始材料(通常是 Li2O 和 B2O3)的过饱和溶液顶部。然后将溶液缓慢冷却以允许晶体从晶种生长。

顶晶溶液生长 (TSSG) 方法

TSSG方法可以生产具有低缺陷密度和优异光学性能的高质量 LBO晶体。籽晶的使用有助于控制晶体取向和缺陷密度,从而提高晶体质量。该方法也相对较快,可以产生高生长速率的晶体。然而,TSSG方法需要仔细控制冷却速率、籽晶尺寸和起始材料的浓度,以保持均匀的晶体生长。

混合方法:

还开发了一种结合了直拉法和 TSSG方法优点的混合方法来生产 LBO晶体。在此方法中,首先使用 TSSG方法生长小籽晶,然后将晶体附着在棒上并用作直拉法的籽晶。所得晶体是一种杂化晶体,具有低缺陷密度和高光学质量。

结论:

晶体生长是生产高质量LBO晶体的关键步骤。晶体生长技术的选择可以显着影响所得晶体的晶体质量和光学特性。直拉法、通量法和 TSSG 法是生产 LBO晶体最常用的技术,每种技术都有其优点和缺点。直拉法可以生产质量优良的大单晶,而助熔剂法可以减少晶体中的杂质和缺陷。TSSG方法可以精确控制晶体取向和缺陷密度,混合方法结合了 TSSG 和 Czochralski 方法的优点。

晶体生长方法的选择取决于几个因素,例如所需的晶体尺寸、质量和应用要求。此外,必须仔细控制晶体生长参数,例如温度、冷却速率和晶种尺寸,以保持均匀生长并达到所需的晶体质量。总的来说,本章讨论的晶体生长技术为高质量 LBO晶体的生产方法提供了宝贵的见解。了解这些技术对于晶体生长工艺的设计和优化以及用于光学和光子学各种应用的高质量 LBO晶体的生产至关重要。

第 3 章 LBO晶体的表征方法

LBO晶体的表征对于了解其特性并优化其在各种应用中的性能至关重要。本章讨论用于 LBO晶体的不同表征方法。

X射线衍射(XRD):

X 射线衍射是确定 LBO晶体的晶体结构和取向的强大技术。XRD 涉及将 X 射线束照射到晶体上并测量散射 X 射线的强度和方向。通过分析散射的 X 射线,可以确定晶体结构和取向。XRD 可用于识别 LBO晶体的晶体结构和取向,这对于在各种应用中实现最佳相位匹配条件至关重要。XRD 还可用于确定晶体质量和晶体中的缺陷,例如孪生和位错。

光学显微镜:

光学显微镜是表征 LBO晶体表面形态和缺陷的常用技术。光学显微镜涉及用光束照射晶体并通过显微镜观察反射或透射光。通过分析表面形貌和缺陷,可以确定晶体质量。

光学显微镜可用于识别表面缺陷,例如划痕、裂纹和凹坑,这些缺陷可能会影响晶体在各种应用中的性能。光学显微镜也可用于确定晶体的厚度和均匀性。

拉曼光谱:

拉曼光谱是表征 LBO晶体振动特性的强大技术。拉曼光谱涉及将激光束照射到晶体上并测量不同波长的散射光。通过分析散射光,可以确定晶体的振动模式和频率。

拉曼光谱可用于识别 LBO晶体中的杂质和缺陷,这些杂质和缺陷会影响其在各种应用中的性能。拉曼光谱还可用于确定晶体质量和相纯度。

二次谐波产生 (SHG) 测量:

SHG测量是表征 LBO晶体非线性光学特性的常用技术。SHG测量是将特定波长的激光束照射到晶体上并测量晶体产生的二次谐波的强度。通过分析二次谐波的强度,可以确定晶体的非线性光学系数。

LBO-非线性晶体-SHG-crylink.jpg

SHG测量可用于确定 LBO晶体的非线性光学系数,这对于优化其在各种应用中的性能至关重要。SHG测量还可用于确定晶体质量和缺陷,例如域结构和不均匀性。

光致发光 (PL) 光谱:

PL光谱是一种用于表征 LBO晶体发光特性的强大技术。PL光谱涉及将激光束照射到晶体上并测量不同波长的发射光。通过分析发射的光,可以确定晶体的发光特性和缺陷。PL光谱可用于识别 LBO晶体中的杂质和缺陷,这些杂质和缺陷会影响其在各种应用中的性能。PL光谱还可用于确定晶体质量和均匀性。

结论:

表征方法对于了解 LBO晶体在各种应用中的特性和优化性能至关重要。XRD、光学显微镜、拉曼光谱、SHG测量和 PL光谱是表征 LBO晶体最常用的技术。表征方法的选择取决于几个因素,例如所需的信息、晶体尺寸和应用要求。必须仔细控制表征参数,例如激光波长、测量条件和样品制备,以获得准确可靠的结果。

总体而言,本章讨论的表征方法为 LBO晶体的表征方法提供了宝贵的见解。了解这些方法对于光学和光子学中各种应用的 LBO晶体的设计和优化至关重要。除了本章讨论的方法之外,还有其他几种技术可用于表征 LBO晶体,例如原子力显微镜 (AFM)、透射电子显微镜 (TEM) 和傅里叶变换红外光谱 (FTIR) )。技术的选择取决于需要表征的具体属性,例如晶体结构、缺陷和光学属性。值得注意的是,本章讨论的表征方法不仅限于LBO晶体,也可以应用于其他非线性晶体。这些方法的理解和应用对于各种非线性光学器件和应用的开发和优化至关重要。

第 4 章 LBO晶体的应用

LBO晶体具有独特的特性,使其成为光学和光子学领域各种应用的理想选择。本章讨论 LBO晶体的一些最常见的应用。

倍频:

LBO晶体最常见的应用之一是倍频,即激光束的基频加倍以产生更高频率的输出。LBO晶体具有较高的二次谐波生成 (SHG) 系数,这使其成为高效倍频的理想选择。

倍频可用于各种应用,例如激光打印、激光冷却和量子光学。在激光打印中,倍频用于产生具有鲜明对比度和鲜艳色彩的高质量图像。在激光冷却中,倍频用于将原子和分子冷却到极低的温度,以适应各种应用,例如量子计算和原子钟。在量子光学中,倍频用于生成纠缠光子对以进行量子信息处理。

光参量放大 (OPA):

光参量放大 (OPA) 是一种非线性过程,涉及将高能光子转换为两个低能光子。LBO晶体具有较高的非线性系数,这使其成为高效 OPA 的理想选择。

OPA.jpg

OPA 可用于各种应用,例如生物医学成像、光谱学和电信。在生物医学成像中,OPA 用于生成生物组织的高分辨率图像,提高对比度并降低光毒性。在光谱学中,OPA 用于生成可调谐光源,用于各种应用,例如化学分析和材料表征。在电信领域,OPA 用于放大和转换光通信系统中的信号。

和频生成 (SFG):

和频生成 (SFG) 是一个非线性过程,涉及将两个输入光子转换为频率等于输入频率之和的单个输出光子。LBO晶体具有较高的非线性系数,这使其成为高效 SFG 的理想选择。

SFG 可用于各种应用,例如表面科学、分子光谱和环境监测。在表面科学中,SFG 用于研究材料的表面特性,例如表面上分子的方向和堆积密度。在分子光谱学中,SFG 用于探测各种环境(例如液体和气体)中分子的振动特性。在环境监测中,SFG用于检测水和空气中的污染物和污染物。

光参量振荡 (OPO):

光参量振荡 (OPO) 是一种非线性过程,涉及在谐振腔中将高能光子转换为两个低能光子。LBO晶体具有较高的非线性系数,这使其成为高效 OPO 的理想选择。

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OPO 可用于多种应用,例如量子光学、光谱学和计量学。在量子光学中,OPO 用于生成压缩光态,用于各种应用,例如量子通信和量子传感。在光谱学中,OPO 用于生成可调谐光源,用于各种应用,例如化学分析和材料表征。在计量学中,OPO 用于生成频率梳以进行精确的频率测量。

结论:

LBO晶体具有独特的特性,非常适合光学和光子学中的各种应用,例如倍频、OPA、SFG 和 OPO。LBO晶体的理解和优化对于各种非线性光学器件和应用的开发和优化至关重要。本章讨论的应用不仅限于 LBO晶体,也可以应用于其他非线性晶体。各种非线性光学器件和应用的开发和优化依赖于对这些技术的理解和应用。如果您需要对高功率二极管泵浦固体激光器的进行二倍频或者三倍频,您应该尝试使用我们的无损伤超光滑LBO晶体!我们提供的LBO晶体具有出色的表面质量,划痕为2/1,可定制0/0,并具有极低的吸收系数:在1064nm时达到1-2ppm/cm,另外,我们可以提供尺寸高达50×50mm2且最大长度为40mm的大尺寸LBO元件。请点击https://www.sinteclaser.com/optical/lbo-crystal.html了解更多LBO晶体产品信息。

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