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YCOB晶體及其應(yīng)用

非線性光學(xué)晶體在現(xiàn)代激光技術(shù)中占有重要地位。通過頻率轉(zhuǎn)換技術(shù),非線性光學(xué)晶體使激光能夠覆蓋從紫外到中紅外的更寬光譜。三硼酸氧鈣釔(YCOB)是一種特殊的非線性晶體,以其寬廣的透明度范圍、高熱穩(wěn)定性和出色的機(jī)械性能而著稱。與傳統(tǒng)晶體相比,YCOB 在高功率激光和惡劣環(huán)境條件下表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性,使其成為激光頻率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。

什么是YCOB?

定義

YCOB 晶體的化學(xué)式為 YCa?O(BO?)?,屬于單斜雙軸負(fù)晶系。它們具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu),其中的 BO? 基團(tuán)具有很高的非線性光學(xué)效率。結(jié)構(gòu)中鈣和釔的結(jié)合使 YCOB 晶體具有低吸濕性和卓越的熱機(jī)械穩(wěn)定性。

YCOB非線性晶體
圖1. 芯飛睿生長的YCOB晶體

特性

  • 廣泛的透明度范圍: 從紫外線(約 200 nm)到中紅外線(約 4 μm)。
  • 高熱穩(wěn)定性: 在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的光學(xué)性能。
  • 卓越的機(jī)械性能: 高硬度和抗開裂性,是高功率激光應(yīng)用的理想材料。
  • 高非線性光學(xué)系數(shù): 與 LBO 晶體相當(dāng)或超過 LBO 晶體。
  • 吸濕性低: 與其他硼酸鹽晶體相比,具有更強(qiáng)的抗環(huán)境濕度能力。

YCOB 的應(yīng)用

頻率轉(zhuǎn)換

YCOB 晶體廣泛用于將 Nd:YAG 激光器的基波(1064 nm)轉(zhuǎn)換為 532 nm 的綠光,適用于科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用。

光參量放大 (OPA)

YCOB 晶體在高能激光系統(tǒng)中表現(xiàn)出色,可有效產(chǎn)生滿足精確光譜要求的可調(diào)諧光源。

高能激光系統(tǒng)

YCOB 晶體特別適用于高功率激光系統(tǒng)。例如,在要求高重復(fù)率和峰值功率的應(yīng)用中,YCOB 的熱容性和寬角度接受能力可顯著提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明,使用布里奇曼方法生長的 YCOB 晶體的二次諧波轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 70.2%,與傳統(tǒng)的 LBO 晶體相當(dāng)。

精密激光應(yīng)用

YCOB 晶體已成功應(yīng)用于醫(yī)療美容和工業(yè)打標(biāo)的綠色微型激光器中。它們?cè)?527 nm 和 532 nm 波長轉(zhuǎn)換時(shí)性能穩(wěn)定,非常適合需要高精度和高穩(wěn)定性的應(yīng)用場(chǎng)合。

如何使用 YCOB?

晶體選擇

YCOB 晶體的生長可采用提拉法(Czochralski)或布里奇曼法(Bridgman)方法。研究表明,布里奇曼法可以生產(chǎn)出光學(xué)質(zhì)量更高的大晶體,適用于大孔徑應(yīng)用。

圖2. ZC提拉法示意圖

溫度調(diào)諧

YCOB 晶體在很寬的溫度范圍內(nèi)(超過 200°C)都能保持很高的頻率轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)表明,YCOB 晶體隨溫度變化的效率斜率小于 -0.06%/°C,明顯優(yōu)于 LBO 晶體。這一特性使它們?cè)跍囟炔▌?dòng)的環(huán)境中非常有效。

性能優(yōu)化

  • 相位匹配:選擇適當(dāng)?shù)那懈罱嵌龋ㄈ?θ = 31° 和 φ = 180°),以實(shí)現(xiàn)最佳相位匹配。
  • 光束質(zhì)量: 通過調(diào)整光束聚焦條件(如焦距和光斑大?。┨岣咿D(zhuǎn)換效率。
  • 表面處理: 使用具有防反射涂層的晶體,以盡量減少反射損失。

YCOB 的優(yōu)勢(shì)

與 LBO 晶體的比較

  • 非線性系數(shù): YCOB的非線性系數(shù)略高于 LBO。
  • 熱穩(wěn)定性: YCOB的熱耐受性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 LBO。
  • 損壞閾值: 在高功率應(yīng)用中,YCOB 具有更高的抗光損傷能力。
芯飛睿LBO非線性晶體
圖3. 芯飛睿的LBO非線性晶體

與 BBO 晶體的比較

  • 非線性系數(shù): YCOB 和 BBO 在 800 nm 左右的增益帶寬方面不相上下,但 YCOB 的溫度接受范圍更廣,熱導(dǎo)率更高。
  • 大晶體生長: BBO 晶體僅限于較小的孔徑(通常為幾厘米),而 YCOB 可以生長到 100 毫米的孔徑,因此適用于高能激光應(yīng)用。

與 DKDP 晶體的比較

  • 熱穩(wěn)定性: YCOB 具有優(yōu)異的熱機(jī)械性能和較低的熱膨脹系數(shù),而 DKDP 則具有較強(qiáng)的吸濕性和較差的熱性能,這限制了其在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。
  • 增益帶寬:DKDP 可在高氘化水平下提供更寬的增益帶寬,但 YCOB 具有更高的熱穩(wěn)定性和損壞閾值,因此更適合高重復(fù)率應(yīng)用。

大晶體的可行性

通過布里奇曼方法生長的 YCOB 晶體可以實(shí)現(xiàn)大尺寸和大孔徑,使其成為光參量放大和高能激光系統(tǒng)的理想選擇。

結(jié)論

YCOB 晶體具有優(yōu)異的非線性光學(xué)特性和熱穩(wěn)定性,在激光頻率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域大有可為。它們?cè)诟吖β屎涂量虠l件下的穩(wěn)定性為現(xiàn)代激光技術(shù)提供了更多可能性。隨著制造技術(shù)的不斷提高,YCOB 晶體有望在科學(xué)研究、工業(yè)應(yīng)用和醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

FAQs

  • Q1. 什么是 YCOB 晶體?
    YCOB 是一種硼酸釔鈣非線性光學(xué)晶體,廣泛用于激光頻率轉(zhuǎn)換和高功率激光系統(tǒng)。
  • Q2. YCOB 與其他非線性晶體相比有何優(yōu)勢(shì)?
    YCOB 具有高熱穩(wěn)定性、寬透明度范圍和低吸濕性,是 LBO 和 DKDP 等晶體的理想替代品。
  • Q3. YCOB 晶體的典型應(yīng)用是什么?
    它們可用于綠激光、光學(xué)參量放大、醫(yī)療美容和工業(yè)標(biāo)識(shí)。
  • Q4. 如何優(yōu)化 YCOB 晶體的頻率轉(zhuǎn)換性能?
    通過調(diào)整切割角度、選擇適當(dāng)?shù)臏囟确秶蛢?yōu)化光束聚焦條件。

參考文獻(xiàn)

[1] Yiting Fei and Bruce H.T. Chai and C.A. Ebbers and Z.M. Liao and K.I. Schaffers and P. Thelin.Large-aperture YCOB crystal growth for frequency conversion in the high average power laser system[J].Journal of Crystal Growth, 2006.DOI:10.1016/j.jcrysgro.2006.01.031.
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[3] Yang S , Liang X , Xie X ,et al.Ultra-broadband high conversion efficiency optical parametric chirped-pulse amplification based on YCOB crystals[J].Optics Express, 2020, 28(8).DOI:10.1364/OE.385790.

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