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YCOB晶體及其應用

非線性光學晶體在現代激光技術中占有重要地位。通過頻率轉換技術,非線性光學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、高熱穩定性和出色的機械性能而著稱。與傳統晶體相比,YCOB 在高功率激光和惡劣環境條件下表現出卓越的穩定性,使其成為激光頻率轉換領域的關鍵材料。

什么是YCOB?

定義

YCOB 晶體的化學式為 YCa?O(BO?)?,屬于單斜雙軸負晶系。它們具有獨特的晶體結構,其中的 BO? 基團具有很高的非線性光學效率。結構中鈣和釔的結合使 YCOB 晶體具有低吸濕性和卓越的熱機械穩定性。

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)。
  • 高熱穩定性: 在較寬的溫度范圍內保持穩定的光學性能。
  • 卓越的機械性能: 高硬度和抗開裂性,是高功率激光應用的理想材料。
  • 高非線性光學系數: 與 LBO 晶體相當或超過 LBO 晶體。
  • 吸濕性低: 與其他硼酸鹽晶體相比,具有更強的抗環境濕度能力。

YCOB 的應用

頻率轉換

YCOB 晶體廣泛用于將 Nd:YAG 激光器的基波(1064 nm)轉換為 532 nm 的綠光,適用于科學研究和工業應用。

光參量放大 (OPA)

YCOB 晶體在高能激光系統中表現出色,可有效產生滿足精確光譜要求的可調諧光源。

高能激光系統

YCOB 晶體特別適用于高功率激光系統。例如,在要求高重復率和峰值功率的應用中,YCOB 的熱容性和寬角度接受能力可顯著提高系統穩定性。實驗表明,使用布里奇曼方法生長的 YCOB 晶體的二次諧波轉換效率高達 70.2%,與傳統的 LBO 晶體相當。

精密激光應用

YCOB 晶體已成功應用于醫療美容和工業打標的綠色微型激光器中。它們在 527 nm 和 532 nm 波長轉換時性能穩定,非常適合需要高精度和高穩定性的應用場合。

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出光學質量更高的大晶體,適用于大孔徑應用。

圖2. ZC提拉法示意圖

溫度調諧

YCOB 晶體在很寬的溫度范圍內(超過 200°C)都能保持很高的頻率轉換效率。實驗表明,YCOB 晶體隨溫度變化的效率斜率小于 -0.06%/°C,明顯優于 LBO 晶體。這一特性使它們在溫度波動的環境中非常有效。

性能優化

  • 相位匹配:選擇適當的切割角度(如 θ = 31° 和 φ = 180°),以實現最佳相位匹配。
  • 光束質量: 通過調整光束聚焦條件(如焦距和光斑大小)提高轉換效率。
  • 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 的優勢

與 LBO 晶體的比較

  • 非線性系數: YCOB的非線性系數略高于 LBO。
  • 熱穩定性: YCOB的熱耐受性遠遠超過 LBO。
  • 損壞閾值: 在高功率應用中,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: 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用。

與 DKDP 晶體的比較

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

大晶體的可行性

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

結論

YCOB 晶體具有優異的非線性光學特性和熱穩定性,在激光頻率轉換領域大有可為。它們在高功率和苛刻條件下的穩定性為現代激光技術提供了更多可能性。隨著制造技術的不斷提高,YCOB 晶體有望在科學研究、工業應用和醫療技術領域發揮更重要的作用。

FAQs

  • Q1. 什么是 YCOB 晶體?
    YCOB 是一種硼酸釔鈣非線性光學晶體,廣泛用于激光頻率轉換和高功率激光系統。
  • Q2. YCOB 與其他非線性晶體相比有何優勢?
    YCOB 具有高熱穩定性、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 晶體的典型應用是什么?
    它們可用于綠激光、光學參量放大、醫療美容和工業標識。
  • Q4. 如何優化 YCOB 晶體的頻率轉換性能?
    通過調整切割角度、選擇適當的溫度范圍和優化光束聚焦條件。

參考文獻

[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.
[2] Arvydas,Kausas,Pascal,et al.Temperature stable operation of YCOB crystal for giant-pulse green microlaser[J].Optics Express, 2017, 25(6):6431-6439.DOI:10.1364/oe.25.006431.
[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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