β相偏硼酸钡晶体（β-BaB2O4，简称BBO）
β相偏硼酸钡晶体(β-BaB2O4)
BBO（β相偏硼酸钡晶体，β-BaB2O4）是由中国科学院物质结构研究首次发现和研制的新型紫外倍频晶体。
BBO晶体的主要优点
* 可实现相位匹配的波段范围宽（409.6—3500nm）
* 可透过波段范围宽（190—3500nm）
* 倍频转换效率高(相当于KDP晶体的6倍）
* 光学均匀性好
* 高损伤阈值（100ps脉宽的1064nm10GW/cm^2）
* 温度接收角宽（55℃左右）
BBO晶体的主要应用
* Nd:YAG和Nd:YLF激光的二,三,四,五倍频
* 染料激光的倍频,三倍频和混频
* Ti:Sappire和Alexandrite激光的二,三,四倍频
* 光学参量放大器(OPA)与光学参量振荡器(OPO)
* 氩离子,红宝石和Cu蒸汽激光器的倍频
* 在全固态可调激光,超快脉冲激光,深紫外激光等高、精、尖激光技术领域的研发领域
BBO晶体的主要性能：
BBO 是一种负单轴晶体，它的o-ray折射系数（no）要比e-ray（ne）折射系数大，可通过Selleimer方程来计算(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
通过角度调谐可获得I、II类的相位匹配。
BBO晶体有效倍频系数由下列方程式得出：
I类:deff=d31sinθ+(d11cos3φ-d22sin3φ)cosθ
II类:deff=(d11sin3φ+d22cos3φ)cos2θ
θ 和φ分别指向极坐标中的z(=c)和x(=a)
BBO晶体的结构和物理特性：
| 晶体结构 | 三方晶系，空间群 R3c |
| 单孢参数 | a=b=12.532A,c=12.717A,Z=7 |
| 熔点 | 1095±5℃ |
| 相变点 | 925±5℃ |
| 光学均匀性 | δn≈10-6/cm |
| 莫氏（Mohs）硬度 | 4 |
| 密度 | 3.85 g/cm3 |
| 吸收系数 | <0.1%/cm(at 1064nm) |
| 比热 | 1.91J/cm3 xK |
| 潮解性 | 低 |
| 热膨胀系数 | a,4 x 10-6/K;c, 36x 10-6/K |
| 热导率 | ⊥c,1.2W/m/K; //c, 1.6W/m/K |
BBO晶体线性光学特性
| 透光范围 | 189-3500nm |
| 折射系数 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 |
| 热光系数 | dno/dT=-16.6x 10-6/℃ dne/dT=-9.3x 10-6/℃ |
BBO晶体非线性光学特性：
| 相位匹配输出波长 | 189-1750nm |
| 非线性光学系数 | d11=5.8 x d36(KDP) d31=0.05 x d11 d22<0.05 x d11 |
| 光电系数 | γ22=2.7pm/V |
| 半波电压 | 7KV(at 1064 nm,3x3x20mm) |
| 损伤阈值 at 1064nm at 532nm |
0.5GW/cm2 (10ns, 10HZ, AR-coated) 0.3GW/cm2 (10ns, 10HZ, AR-coated) |
BBO晶体在Nd:YAG激光器中的应用
BBO晶体在Nd:YAG激光二、三、四倍频上的性能优异，是213nm光五倍频的最佳选择。二倍频的转换效率大于70％，三倍频60％，四倍频50％，213nm光五倍频的输出功率可达200mW。表1是Nd:YAG激光下BBO和KD*P的性能比较。表2是BBO从二倍频到五倍频的基本非线性光学特性比较。
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表 2. I BBO 晶体的NLO特性
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| SHG | THG | 4HG | 5HG | |
| 有效NLO系数 (d36(KDP)) | 5.3 | 4.9 | 3.8 | 3.4 |
| 接受角(mrad-cm) | 1.0 | 0.5 | 0.3 | 0.2 |
| 走离角 (degree) | 3.2 | 4.1 | 4.9 | 5.5 |
由于BBO具有较小的接受角和较大的走离角，因此获得理想的转换效率的关键是使用较好质量的基频光（具有小的发散角，较好的模式条件等）。我们不推荐对基频光光束进行聚焦。
BBO晶体应用于可调谐激光
1.染料激光
用I类BBO可输出二次谐波效率超过10％，波长大于206nm的紫外线(205nm-310nm)。用150KW染料激光器泵浦的XeC1激光可获得36％的转换率，是ADP的4-6倍。最短204.97nmSHG波长光得到的转换率约为1％。
BBO广泛应用于染料激光器中。用BBO将780-950nm和248.5nm光（495nm染料激光的SHG输出）进行I类和频，可输出从188.9nm-197nm的最短紫外光，其中193nm激光的脉冲能量为95mJ，189nm激光的脉冲能量为8mJ。
2.超快脉冲激光
在超快脉冲激光的二、三倍频中，BBO的性能要大大优于KDP和ADP。目前，我们可提供的BBO晶体最小厚度为0.01mm。在相速度匹配和群速度匹配方面，用一个小型BBO晶体可达到10fs激光脉冲的有效倍频。
3.钛宝石激光和Alexandrite激光
使用BBO晶体的Alexandrite激光的I类二次谐波可输出波长范围360nm-390nm的紫外光，其中378nm波长激光的脉冲能量为105mJ（31％的二次谐波转换率），三次谐波可输出波长范围244nm-259nm，脉冲能量7.5mJ（24％的混频转换率）的紫外光。
钛宝石激光可获得大于50％的二次谐波转换效率，以及更高的三次和四次谐波转换效率。
4. 氩离子激光和铜蒸气激光
在应用腔内倍频技术的全线功率为2W的氩离子激光中，Brewster斜切BBO晶体可获得波长范围在228.9nm-257.2nm的36线深紫外光，最大功率33mW（波长250.4nm）。
5106.nm的铜蒸气激光的二次谐波输出的紫外线功率可达230mW（波长255.3nm），最大能量转换率为8.9％。
BBO晶体在OPO和OPA中的应用
BBO在OPO和OPA中的功能非常强，可产生从紫外线到红外线的一系列可调谐激光。图5和图6分别是I类和II类BBO在OPO、OPA中的调谐角度的计算结果。
1.532nm泵浦OPO
一个7.2mm长的I类BBO晶体可获得波长范围680 nm-2400nm的OPO输出，峰值功率1.6MW，能量转换率可达30％。输入泵浦能量为532nm波长40mJ，脉冲宽度为75ps。较长的BBO晶体可获得更高的能量转换率。
2.355nm泵浦OPO和OPA
用Nd:YAG激光泵浦，使用BBO的OPO的输出能量超过100mJ，波长范围400nm-2000nm。BBO晶体的OPO系统输出的可调谐波长范围在400nm-3100nm，确保了波长430nm-2000nm部分的能量转换率在18％-30％之间。
II类BBO可用来减小线宽。我们用BBO获得了0.05nm的线宽和12％的转换率。但是，在II类相位匹配中，一个较长的BBO晶体(>15mm)通常被用来减小起振阈值。
用一个355nm波长的皮秒Nd:YAG激光来泵浦使用BBO的OPA获得的脉冲具有窄带(<0.3nm)，能量高(>200μJ)和可调谐性宽(400nm-2000nm)的特点。这种OPA可获得超过50％的最大能量转换率，因此在很多方面都比通常的染料激光性能优越，如转换率高，可调谐范围宽，易维护，设计简单，操作简便等。 另外，使用BBO的OPO或二次谐波BBO的OPA可获得205nm-3500nm范围的连续激光。
3.其他
对被308nm波长的XeCl准分子激光泵浦的I类BBO晶体进行角度调谐可获得一个信号波长范围422nm-477nm的可调OPO。用266nm波长的Nd:YAG激光的四次谐波对使用BBO的OPO泵浦可输出一个完整的330nm -1370nm的波长范围。
用615nm波长，1mJ，80fs的染料激光泵浦使用两块BBO晶体的OPA，可获得大于50μJ (最大130μJ)的能量,小于200fs的超短波脉冲, 800nm-2000nm的波长范围.
最佳BBO晶体形状和切割
我们会根据客户的要求和具体使用情况，来选择最合适的BBO晶体形状和尺寸，以达到最佳的转换效率。
我们生产的BBO设备能够很好地体现晶体的切割方向和尺寸特征。方向完全由非线性光学过程来决定，例如，对1064nm波的I类倍频，BBO的切割角为θ=22.8°，φ=0°。晶体尺寸通过三维尺寸来描述，如W x H x L(mm3)。为了选择一个最合适的宽度（W），应该首先考虑影响晶体的光束直径和波长可调谐范围。 最佳的晶体高度（H）应该比光束直径稍大（如1-2mm）。虽然BBO晶体通常的设计长度（L）为7mm，但是根据使用情况来选择最佳值仍为上策。 例如，OPO或OPA使用的晶体长度为12mm，而超短波脉冲激光的二次、三次谐波需要的晶体长度不超过1mm。
我们对不同的应用情况推荐相对应的晶体尺寸和切割，列表如下(假定光束直径对晶体的影响为φ2mm- φ3mm)：
1.Nd:YAG激光谐波效果
|
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激光谐波泵浦的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.染料激光倍频
| 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.钛宝石激光谐波
| 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、三倍频
| 720-800nm | Type I, 4x4x7mm,31°-cut | 360-400nm |
| Type I, 7x4x7mm,48°-cut | 240-265nm |
6.Brewster斜切BBO的氩离子激光腔内倍频
| 514nm | Type I, 4x4x7mm,51°B-cut | 257nm |
| 488nm | Type I, 4x4x7mm,55°B-cut | 244nm |
7.铜蒸气激光倍频
| 510nm | Type I, 4x4x7mm,50°-cut | 255nm |
| 578nm | Type I, 4x4x7mm,42°-cut | 289nm |
BBO晶体技术指标
* 波前畸变:小于 λ/8 @ 633nm
* 尺寸公差:(W±0.1mm)x(H±0.1mm)x(L±0.2mm/-0.1mm)
* 通光孔径: 大于 90% 中央直径
* 平面度: λ/8 @ 633nm
* 光洁度:10/5 to MIL-PRF-13830B
* 平行度: 优于20秒
* 垂直度: 5 分
* 角度偏差: △θ≤±0.25°,△φ≤±0.25°
1)BBO 楔角:
|
技术指标:
材料: ......................................BBO(β-BaB2O4)
定向: ....................................................0.3 度
光洁度:....................................................10-5 面形:...............................................Lambda/4
波前畸变: .......................................Lambda/10
 |
 |
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|
Part No.
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A(mm)
|
B(mm)
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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°
|
|
备注: 其它尺寸及技术指标可依客户要求加工.
|
||||||
|
技术指标:
材料: ........................................BBO(β-BaB2O4)
定向: .......................................................0.3 度
光洁度: .....................................................10-5 面形: ................................................Lambda/4
波前畸变: ........................................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°
|
|
备注: 其它尺寸及技术指标可依客户要求加工.
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