От структуры к применению: Какой кристалл лучше - BIBO или BBO?

1 Аннотация

Кристаллыбета-бората бария (BBO) и трибората висмута (BIBO) являются частотно-удвоенными кристаллами. Они характеризуются хорошей прозрачностью в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах и нелинейно-оптическими свойствами, что обусловило их широкое применение в нелинейно-оптических приложениях. Из-за различий в нелинейно-оптических коэффициентах BBO и BIBO они также используются в разных сценариях применения.

BBO обладает большим нелинейно-оптическим коэффициентом, и в сценариях применения оптического удвоения частоты, суммирования и генерации дифференциальной частоты его большой нелинейно-оптический коэффициент может повысить эффективность и эффективность преобразования, а также производить более сильные выходные сигналы при той же входной мощности, снижая требования к мощности используемого устройства.

Умеренный нелинейно-оптический коэффициент BIBO помогает смягчить оптические потери и предотвратить ограничение производительности из-за эффекта оптического насыщения. Кроме того, нелинейно-оптический коэффициент кристалла BIBO относительно мало изменяется с температурой, что позволяет ему сохранять стабильные оптические характеристики в определенном диапазоне. Благодаря этому он широко используется в оптических модуляторах, лазерных удвоителях частоты, оптических измерениях и т.д.

В этой статье SAM сравнит кристаллы BBO и BIBO по четырем аспектам: кристаллическая структура, оптические свойства, сценарии применения, подготовка и стоимость, чтобы дать вам ориентир для выбора.

2 Введение BBO и BIBO

Борат бария, также известный как BaB2O4 или Ba(BO2)2, является неорганическим соединением. Он существует как в гидратированной, так и в дегидратированной форме, представляя собой белый порошок или бесцветные кристаллы. В кристаллах выделяют две фазы: высокотемпературную α-фазу и низкотемпературную β-фазу. Обе фазы демонстрируют двулучепреломление, что делает β-фазу бората бария (BBO) широко используемым нелинейно-оптическим материалом.

Триборат висмута (BiB3O6, BIBO) - недавно разработанный нелинейно-оптический кристалл. Он обладает большим эффективным нелинейно-оптическим коэффициентом, высоким порогом повреждения и не подвержен деликатенции. Внешний вид обычно представлен в виде бесцветных кристаллов.

3 Кристаллическая структура BBO и BIBO

BBO относится к трипартитной кристаллической системе, в которой боратные ионы в решетке расположены в треугольной форме, а ионы бария занимают в ней пустоты. BIBO принадлежит к моноклинной кристаллической системе. Сравнение химических и структурных свойств этих двух веществ приведено в таблице 1.

Таблица 1 Химические и структурные свойства

В соответствии с различными оптическими свойствами кристаллы можно разделить на две категории: оптически однородные (изотропные) и оптически неоднородные (анизотропные). Трипартитная кристаллическая система, к которой принадлежит BBO, и моноклинная кристаллическая система, к которой принадлежит BIBO, относятся к оптически гетерогенной системе, а трипартитная ячеистая структура представляет собой одноосный кристалл, с одинаковыми физическими свойствами в направлениях осей a и b. Моноклинная кристаллическая система представляет собой двухосный кристалл с различными характеристическими постоянными во всех трех направлениях осей. Для нелинейных кристаллов, из-за анизотропии, о свет (сферический преломленный свет) и е свет (эллипсоидальный преломленный свет) имеют различные показатели преломления, с явлением двулучепреломления. е света показатель преломления и показатель преломления о света с температурой различной скорости изменения, что делает взаимодействие световой волны в среде участвовать в распространении световых волн есть та же скорость возможность реализации эффективного изменения частоты. Таким образом, и BBO, и BIBO обладают нелинейными оптическими свойствами.

4 Оптические свойства BBO и BIBO

4.1 Нелинейно-оптические свойства BBO и BIBO

Нецентральная симметрия, присущая кристаллическим структурам BBO и BIBO, не позволяет им придерживаться классических условий центральной симметрии, что приводит к проявлению нелинейных оптических эффектов. Следовательно, атомы или молекулы внутри этих кристаллов нелинейно реагируют на световое поле, что приводит к изменению скорости поляризации в зависимости от изменения интенсивности светового поля. Именно эта нелинейная скорость поляризации обусловливает уникальные нелинейно-оптические свойства BBO и BIBO, характеризующиеся большими нелинейно-оптическими коэффициентами и способствующие их специфическому применению.

Примечание: (a): Проекционная диаграмма ячейки в направлении c; (b): Проекционная диаграмма ячейки в направлении a. Тетраэдры, треугольники, большие и малые атомы обозначают анионные группы, [BO4]5-, [BO3]3-, атомы, Bi и O, соответственно ^[1].

BBO и BIBO имеют некоторые различия в оптических свойствах, в основном в их нелинейно-оптическом коэффициенте и различиях в прозрачности. С точки зрения нелинейно-оптического коэффициента, BBO имеет больший нелинейно-оптический коэффициент в более широком оптическом спектре, который подходит для различных приложений нелинейной оптики, таких как удвоение частоты, генерация суммирующей разности и т.д. BIBO также обладает хорошими нелинейно-оптическими свойствами, и его нелинейно-оптический коэффициент обычно немного ниже, чем у BBO, но в определенном диапазоне длин волн он может быть даже лучше. С точки зрения прозрачности, BBO обладает хорошей прозрачностью в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, в то время как BIBO немного менее прозрачен, чем BBO, особенно в видимом диапазоне.

Однако по сравнению с другими нелинейно-оптическими кристаллами кристаллы BIBO демонстрируют замечательную устойчивость к оптическим потерям и обладают широким спектральным диапазоном прозрачности. Кроме того, нелинейно-оптические коэффициенты кристаллов BIBO демонстрируют минимальное изменение с температурой, что позволяет им сохранять стабильные оптические свойства в определенном диапазоне.

Таблица 2 Оптические и нелинейно-оптические свойства

4.2 Введение в нелинейно-оптические коэффициенты

Нелинейно-оптический коэффициент - это фундаментальная физическая величина, характеризующая реакцию нелинейно-оптического материала на интенсивность света. В нелинейной оптике реакция материала на свет не только пропорциональна интенсивности, но и зависит от более высоких мощностей интенсивности. Нелинейно-оптические коэффициенты служат мерой силы этого нелинейного отклика. Их значения зависят от различных факторов, включая свойства материала, такие как симметрия кристалла, поляризация электрического поля и молекулярная структура. Например, кристаллы с нецентральной симметрией часто демонстрируют более высокие нелинейно-оптические коэффициенты из-за уникального расположения молекул. Кроме того, частота и интенсивность падающего света также играют решающую роль в определении реакции материала. Более высокая частота или интенсивность света может вызывать более сильные нелинейные эффекты. В целом, понимание нелинейных оптических коэффициентов позволяет понять, как материалы взаимодействуют со светом, и создать эффективные нелинейно-оптические устройства.

4.3 Факторы, влияющие на нелинейно-оптические коэффициенты

Величина нелинейно-оптического коэффициента напрямую влияет на эффективность и производительность материала в нелинейно-оптических приложениях. Например, в умножителях частоты чем больше нелинейно-оптический коэффициент, тем эффективнее материал будет умножать частоту падающего света до нужной частоты. Аналогично, в оптическом модуляторе величина нелинейно-оптического коэффициента влияет на глубину модуляции и скорость отклика модулятора.

5 Сценарии применения BBO и BIBO

5.1 Достижения в области оптических исследований

BBO обладает большим нелинейно-оптическим коэффициентом по сравнению с BIBO, что дает ему преимущество в некоторых приложениях. В некоторых нелинейно-оптических приложениях, таких как удвоение частоты, суммирование и генерация дифференциальной частоты, больший нелинейно-оптический коэффициент может повысить эффективность оптического устройства, делая его более эффективным в достижении желаемого оптического преобразования. В то же время, большие нелинейно-оптические коэффициенты могут создавать более мощный выходной сигнал при той же входной мощности, тем самым снижая требования к мощности оптики. Кроме того, некоторые специфические приложения требуют реализации больших нелинейных оптических эффектов, поэтому большие нелинейные оптические коэффициенты могут расширить спектр приложений, для которых может использоваться материал.

В области оптических исследований Stanton EJ et al ^[2] добился черенковского согласования фаз на связном интерфейсе, состоящем из нелинейных кристаллов SiN и BBO. Корреляция между углом излучения, эффективностью преобразования и выходной мощностью анализируется путем систематического исследования размеров волновода и мощности накачки. Экспериментальные результаты подтверждают возможность генерации лазеров дальнего ультрафиолета и обеспечивают теоретическую поддержку массового производства компактных изделий, которые имеют большой потенциал для применения в дезинфекции безопасности человека, нелинейной связи в свободном пространстве и глубокой ультрафиолетовой рамановской спектроскопии.

Проблемы и недостатки

Однако большие нелинейно-оптические коэффициенты могут иметь некоторые проблемы и недостатки, например, большой нелинейно-оптический отклик может привести к увеличению оптических потерь в материале, что снижает эффективность устройства. В некоторых случаях большие нелинейные оптические коэффициенты могут привести к эффекту оптического насыщения, который ограничивает динамический диапазон и производительность устройства. Кроме того, некоторые материалы могут иметь низкую стабильность и долговечность из-за большого нелинейного оптического отклика. В таких сценариях применения BIBO является более подходящим выбором, чем BBO, чьи умеренные нелинейно-оптические коэффициенты и отличная стабильность позволяют использовать его в определенном диапазоне приложений с повышенными требованиями к стабильности.

6 Процесс приготовления BBO и BIBO

6.1 Процесс приготовления BBO

Метод выращивания BBO использует Ba(OH)2-8H2O и H3BO3 с молярным соотношением 2:3 для перемешивания и смешивания, добавление флюса в процесс смешивания для проведения реакции, сушку при 200-250°C после завершения реакции и спекание при 500°C-600°C в течение 4-5 часов для получения кристаллов низкотемпературной фазы BBO. После завершения реакции его сушат при 200-250°C, а затем спекают при 500°C-600°C в течение 4-5 часов для получения кристаллов низкотемпературной фазы BBO. Этот процесс использует метод низкотемпературной твердофазной реакции, используя гидроксид бария и борную кислоту в качестве сырья, без других громоздких этапов, процесс прост; усиленная конвекция под кристаллом, уменьшение количества дефектов.

6.2 Процесс приготовления BIBO-TSSG

BIBO выращивается методом верхнего затравочного кристалла (TSSG), при котором расплав имеет высокую вязкость, подобную раствору, в котором образуется стекло, а использование TSSG позволяет выращивать кристаллы из высоковязкого боратного расплава. Эквивалентные стехиометрические количества Bi2O3 и B2O3 расплавляли в платиновом тигле при постоянной температуре 900 °C после тщательного измельчения и придания однородности, а платиновую проволоку использовали для индуцированного роста кристаллов, причем спонтанное зарождение происходило вблизи более холодной платиновой проволоки с образованием поликристаллов, которые использовали в качестве затравочных кристаллов для роста.

Поскольку плотность B2O3 намного меньше, чем Bi2O3, он собирается на поверхности жидкости в расплаве, и реакция не является достаточной, поэтому образуется кристалл Bi2B8O15.Для получения монокристалла используется принудительный рост затравочного кристалла, и прозрачный Bi2B8O15 выбирается в качестве затравочного кристалла для получения поликристаллов BiB3O6 и небольшого количества Bi2B8O15 ниже точки насыщения. Затем выбирают BiB3O6 для многократного удаления роста с целью получения монокристаллов. Явление полярного роста кристаллов BiB3O6 является более серьезным, поэтому для получения монокристаллов большого размера, с меньшим количеством дефектов и высокой степенью использования необходимо использовать направленный рост.

Во время процесса роста кристаллов скорость вращения затравочного кристалла обычно составляет 3~5r/min, а скорость охлаждения 0,1~1℃/d, при этом общее охлаждение не превышает 3~4℃ для предотвращения образования паразитных кристаллов. Кристаллы снимаются со страницы в конце роста кристаллов и охлаждаются до комнатной температуры со скоростью 15~25°C/ч. Необходимо следить за тем, чтобы скорость охлаждения не была слишком медленной, чтобы расплав быстро стал стекловидным, и чтобы избежать перелива кристаллического расширяющегося расплава, обволакивающего кристаллы.

Заключение

Благодаря своей кристаллической структуре BBO и BIBO обладают нелинейными оптическими свойствами, которые могут быть использованы в лазерах, электрооптических устройствах, а также других устройствах оптического преобразования. BBO обладает большим нелинейным оптическим коэффициентом, что может эффективно улучшить соотношение выходной и входной мощности устройства, снизить требования к входной мощности оптического устройства и расширить область применения материала; в то время как BIBO обладает более умеренным нелинейным оптическим BIBO обладает умеренным нелинейным оптическим коэффициентом и более высокой стабильностью переменного температурного коэффициента, что может эффективно избежать оптических потерь, вызванных материалом, и в то же время динамический диапазон устройства и производительность устройства менее ограничены, а стабильность и долговечность также выше.

В процессе подготовки используется метод выращивания верхнего затравочного кристалла, и процесс получения BBO проще, чем процесс получения BIBO, а требования к процессу несколько ниже. Выбор должен основываться на сценарии использования, эффективности работы, стабильности и безопасности, а также общей стоимости. Вы можете обратиться к специалистам SAM за советом и помощью в процессе выбора.

Связанное чтение:

BBO в Википедии

Другие статьи по оптике:

GGG, SGGG и NGG

Легированный иттербием иттриево-алюминиевый гранат

Ссылки:

[1] Zi-fang J, Jing-lin Y, Patrick S, et al. [Исследование микроструктуры кристалла трибората висмута и его расплава при высокой температуре методом рамановской спектроскопии]. [J]. Guang pu xue yu guang pu fen xi = Guang pu,2012,32(1).

[2] Stanton EJ, Tønning P, Ulsig EZ, Calmar S, Stanton MA, Thomsen ST, Gravesen KB, Johansen P, Volet N. Continuous-wave second-harmonic generation in the far-UVC pumped by a blue laser diode. Sci Rep. 2024 Feb 8;14(1):3238. doi: 10.1038/s41598-024-53144-7. PMID: 38331948; PMCID: PMC10853522.