α-BBO晶體
福晶科技擁有業內最大的α-BBO晶體生產規模,大尺寸毛坯生長技術引領世界水平
光在非均質體中傳播時,其傳播速度和折射率值隨振動方向不同而改變,其折射率值不止一個。光波入射非均質體,除特殊方向以外,都要發生雙折射,分解成振動方向互相垂直、傳播速度不同、折射率不等的兩種偏振光,此現象即為雙折射(如圖1所示)。產生雙折射現象的晶體叫做雙折射晶體,其作用類似于兩個透振方向互相垂直的起偏器。
圖1 雙折射現象
α-BBO晶體是一種性能突出的雙折射晶體,具有大的雙折射率、寬的透光范圍等優異的光學特性,廣泛應用于光偏轉技術、高功率激光和超快激光應用等領域。主要用于制作:
紫外偏振棱鏡如格蘭泰勒棱鏡、渥拉斯頓棱鏡;
高功率光隔離器;
超快激光的群速失配補償器等。
一
α-BBO晶體的一些特性
雙折射晶體的種類眾多,α-BBO以其優異的光學特性彌補了YVO4、CaCO3等傳統雙折射晶體的不足,是一種理想的紫外雙折射晶體。
1
α-BBO晶體簡介
偏硼酸鋇(BaB2O4)存在著高溫相(α-BBO )和低溫相(β-BBO)兩種多型體,熔點為1095℃,其相變溫度為925℃左右[1]。
眾所周知,低溫相 β- BBO晶體是一種優良的非線性光學晶體,在激光倍頻、混頻和光參量振蕩等方面應用廣泛。福晶科技是BBO晶體世界領導者,全球市場份額高達70%以上,在三十余年的發展歷程中對超快激光、量子科學發展起到了巨大的推動作用,
高溫相α-BBO晶體屬三方晶系,單胞參數為:a=b=0.7235nm,c=3.9192 nm。高溫相α-BBO晶體為負光軸晶體,具有大的雙折射率,透光范圍為189~3500nm,物理化學性能穩定,機械加工性能優異。但因為具有中心對稱結構,因此不同于β-BBO,α-BBO晶體無二階非線性效應。
2
光在α-BBO晶體中的傳播
α- BBO晶體為負光軸晶體,根據o光、e光的特點,利用惠更斯原理可作出o、e光在晶體中的傳播方向[2],下面我們分情況進行討論:
(1)斜入射:
①由于光軸在入射面內(此處是紙面),兩主截面重合,所以,兩光均在入射面內,o光光矢量垂直于入射面,e光光矢量平行于入射面(如圖2所示)。
②若光軸不在入射面內時,兩主截面不再重合,E點已不在入射面內,e光也不在入射面內。
③當入射方向與光軸平行時,e光將與入射線在法線同側(如圖3所示)。
圖2 o光光矢量垂直于入射面,
e光光矢量平行于入射面
圖3入射方向與光軸平行,
e光與入射線在法線同側
(2)垂直入射:
①光軸垂直于晶體表面且平行于入射面。o、e光速度相同,方向相同,不發生雙折射(如圖4所示)。
圖4 o、e光速度相同,方向相同,不發生雙折射
②光軸平行于晶體表面且垂直于入射面。o、e光方向相同,但光速不同,直觀上不分開,要發生雙折射(如圖5所示)。
圖5 o、e光方向相同,但光速不同,發生雙折射
③光軸平行于晶體表面且平行于入射面。o、e光方向相同,但速度不同,直觀上不分開,要發生雙折射(如圖6所示)。
圖6 o、e光方向相同,但光速不同,發生雙折射
3
α-BBO晶體的光學特性
α-BBO晶體具有非常良好的光學性能,在紫外到中紅外都具有很好的透過,它有如下一些特征:
(1)具有大的雙折射率;
(2)透光范圍為189~3500nm;
(3)物理化學性能穩定;
(4)機械加工性能優異;
(5)尤其在紫外區的透過率很高(95%),其性能優于YVO4和CaCO3晶體。表1列舉了α-BBO晶體與二者的對比:
表1 α-BBO晶體與其他雙折射晶體的光學特性對比[3]
二
福晶科技α-BBO晶體的發展情況
福晶科技從事α-BBO晶體生長研發多年,在原料配方設計、原料合成處理、溫場設計優化等方面積累了大量研究實驗的成果和經驗,擁有業內最大的α-BBO晶體生產規模,并于2022年在大尺寸α-BBO晶體毛坯生長技術領域取得了重要突破,實現了1公斤級別大尺寸、高質量毛坯的穩定生長,將現有報道中世界α-BBO晶體生長水平向前推進了一步。
福晶科技的α-BBO晶體生長經過多年研發創新,技術水平處于世界領先水平。
1、通過特殊的離子摻雜技術,保證晶體結構穩定[3][4],同時改善了內部應力,減少了晶體加工過程中的開裂。
偏硼酸鋇(BaB2O4)存在著高溫相(α-BBO)和低溫相(β- BBO)兩種多型體,熔點為1095℃,其相變溫度為925℃左右[1]。通常α-BBO晶體采用提拉法(CZ法)從BBO熔體生長,但在生長過程中,開始可以長出十分透明、完整的α- BBO單晶,但隨著晶體冷卻通過相變點溫度(925℃)時,晶體就從α相轉變成β相,結果引起了晶體失透及破壞性破碎。而且提拉法生長的α-BBO晶體容易沿著(001)解理。因此,采用CZ法從BBO熔體中生長出大尺寸完整的、高質量的α-BBO晶體是非常困難的。
項目團隊對α-BBO原料進行特殊的離子摻雜,使得α-BBO晶體從高溫降至低溫的情況下不發生相變,仍然保持α相晶體結構,從而避免了因結構變化而導致的晶體嚴重開裂現象。另一方面,由于晶體高溫生長,內部不可避免存在熱應力,在后續的切割拋光等加工過程容易導致開裂,摻雜離子的加入,有效改善了內部的熱應力,極大減少了后續加工過程中發生的開裂現象,對于提高成品率、降低成本起到了巨大的貢獻作用。
2、通過精確的自動提拉控制,結合各個工藝參數的優化,使得晶體內部缺陷極少,光學均勻性高,從而使晶體具備體吸收小、波前畸變小的特點。國內能夠批量提供α-BBO晶體及器件的廠家屈指可數,福晶科技擁有數十臺自動化生長爐生產α-BBO晶體,能夠穩定提供高質量、性能優異的α-BBO晶體及元件。
3.α-BBO晶體產品指標
福晶科技可穩定、批量供應大尺寸、高精度的α-BBO晶體元器件,基本加工指標如表2所示。
表2產品加工參數
圖9Zygo測試α-BBO波前參數
福晶科技生長的α-BBO晶體內部質量良好,晶體吸收小(圖9),具有良好的紫外透過(圖10)。
圖10α-BBO晶體的吸收測試
審核編輯:劉清
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原文標題:福晶小課堂 | α-BBO晶體一種性能優良的雙折射晶體
文章出處:【微信號:福建福晶科技股份有限公司,微信公眾號:福建福晶科技股份有限公司】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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