三硼酸锂（LiB3O5，简称LBO）
三硼酸锂（LiB3O5）
三硼酸锂（LiB3O5 or LBO）是一种极佳的非线性光学晶体，主要优点有：
* 可透光波段范围宽（160—2600nm）
* 光学均匀性好，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（1.3ns脉宽的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：
二倍频方面:
1. 医用与工业用途的Nd:YAG激光
2. 科研与军事用途的高功率Nd:YAG与Nd:YLF激光
3. Nd:YVO4,Nd:YAG和Nd:YLF激光的泵浦
4. 红宝石,Ti:Sappire与Cr:LiSAF激光
三倍频方面:
1. Nd:YAG与Nd:YLF激光
2. 光学参量放大器(OPA)与光学参量振荡器(OPO)
3. 高功率1340nm的Nd:YAP激光的二,三倍频
LBO晶体的生长和结构
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。
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=8.4473A,b=7.3788A,c=5.1395A,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 |
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。 下表给出了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（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：
LBO晶体主要折射系数:
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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。LBO与其他常用晶体在1.3ns 1053nm Nd:YLF激光下的光损伤阈值比较如下:
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
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1053nm光损伤阈值
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晶体
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能量密度 (J/cm2)
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功率密度(GW/cm2)
|
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3000nm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1）为：
deff(I)=d32cosφ ----(in XY plane)
deff(I)=d31cos2θ+d32sin2θ ----(in XZ plane)
LBO晶体最佳II类匹配的有效倍频系数在YZ和XZ面上为：
deff(II)=d31cosθ ----(in YZ plane)
deff(II)=d31cos2θ+d32sin2θ ----(in XZ plane)
使用LBO的Nd:YAG激光在脉冲模式下获得的二次谐波转换率大于70%，三次谐波转换率大于60%，在连续模式下获得的二次谐波转换率大于30%。
LBO晶体应用：
• 对2W锁模钛宝石激光(＜2ps, 82MHz)倍频可输出功率大于480mW的395nm波长激光，利用5x3x8 mm3 尺寸的LBO晶体可获得的波长范围在700-900nm。
• 使用II类18mmLBO晶体的调Q Nd:YAG激光倍频可得到功率大于80W的绿色光。
• 使用9mmLBO晶体的泵浦Nd:YLF激光(＞500μJ @1047nm,＜7ns,0-10KHz)倍频转换率大于40％。
• 利用LBO晶体和频效应可获得187.7nm波长的真空紫外光。
• 对调QNd:YAG激光进行腔内三倍频可获得输出脉冲能量2mJ的衍射极限光束。
LBO晶体非临界相位匹配
LBO晶体的非临界相位匹配具有无离散、接受角度宽、有效系数大的特点，充分利用这一特性可使LBO发挥最佳功效。 使用LBO的Nd:YAG激光在脉冲模式下获得的二次谐波转换率大于70%，在连续模式下获得的二次谐波转换率大于30%，且光束质量好，输出稳定。
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Table 4. 1064nm光 I 类NCPM SHG特性
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| NCPM 温度 接受角 离散角 温度线宽 有效SHG系数 |
148℃ 52 mrad-cm1/2 0 4℃-cm 2.69d36(KDP) |
如室温下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。
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。
1) LBO:
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技术指标:
材料: .........................................LBO(LiB3O5) 定向误差: ..............................................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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产品号.
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A(mm)
|
B(mm)
|
L(mm)
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Theta
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Phi
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LBO 101
|
3.0
|
3.0
|
15.0
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90°
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9°
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|
LBO 102
|
5.0
|
3.0
|
15.0
|
43.7°
|
90°
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LBO 103
|
5.0
|
3.0
|
8.0
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90°
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19°
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备注: 其它尺寸及指标可依客户要求加工.
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2) LBO 楔角:
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技术指标:
材料: ............................................LBO(LiB3O5) 定向精度: .................................................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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产品号
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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
|
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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备注: 其它尺寸及指标可按客户要求加工.
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