Von der Struktur zur Anwendung: Ist BIBO oder BBO der bessere Kristall?
1 Zusammenfassung
Beta-Barium-Borat- (BBO) und Bismut-Triborat- (BIBO) Kristalle sind frequenzverdoppelnde Kristalle. Sie zeichnen sich durch gute Transparenz im sichtbaren und nahen infraroten Bereich und durch ihre nichtlinearen optischen Eigenschaften aus, was zu ihrem weitverbreiteten Einsatz in nichtlinearen optischen Anwendungen geführt hat. Aufgrund der unterschiedlichen nichtlinearen optischen Koeffizienten von BBO und BIBO werden sie auch in unterschiedlichen Anwendungsszenarien eingesetzt.
BBO hat einen großen nichtlinearen optischen Koeffizienten. In den Anwendungsszenarien der optischen Frequenzverdopplung, der Summierung und der differentiellen Frequenzerzeugung kann sein großer nichtlinearer optischer Koeffizient die Effizienz und die effektive Umwandlung verbessern und bei gleicher Eingangsleistung stärkere Ausgangssignale erzeugen, was den Leistungsbedarf des verwendeten Geräts verringert.
Der moderate nichtlineare optische Koeffizient von BIBO trägt dazu bei, optische Verluste zu mindern und Leistungseinschränkungen durch optische Sättigungseffekte zu vermeiden. Darüber hinaus variiert der nichtlineare optische Koeffizient des BIBO-Kristalls relativ wenig mit der Temperatur, so dass er über einen bestimmten Bereich eine stabile optische Leistung beibehält. Daher findet er breite Anwendung in optischen Modulatoren, Laserfrequenzverdopplern, optischen Messungen usw.
In diesem Artikel vergleicht SAM BBO- und BIBO-Kristalle unter vier Gesichtspunkten: Kristallstruktur, optische Eigenschaften, Anwendungsszenarien, Herstellung und Kosten, um Ihnen eine Referenz für Ihre Wahl zu bieten.
2 Einführung von BBO und BIBO
Bariumborat, auch bekannt als BaB2O4 oder Ba(BO2)2, ist eine anorganische Verbindung. Es kommt sowohl in hydratisierter als auch in dehydrierter Form vor und ist entweder ein weißes Pulver oder farblose Kristalle. Die Kristalle weisen zwei unterschiedliche Phasen auf: die Hochtemperatur-α-Phase und die Niedrigtemperatur-β-Phase. Beide Phasen weisen eine Doppelbrechung auf, was die β-Phase von Bariumborat (BBO) zu einem weit verbreiteten nichtlinearen optischen Material macht.
Bismuttriborat (BiB3O6, BIBO) ist ein neu entwickelter nichtlinearer optischer Kristall. Er hat einen großen effektiven nichtlinearen optischen Koeffizienten, eine hohe Zerstörungsschwelle und ist nicht anfällig für Deliqueszenz. Er erscheint im Allgemeinen als farblose Kristalle.
3 Kristallstruktur von BBO und BIBO
BBO gehört zum dreiteiligen Kristallsystem, in dem die Borat-Ionen im Gitter in Dreiecksform angeordnet sind und die Barium-Ionen die Leerstellen darin besetzen. BIBO gehört zum monoklinen Kristallsystem. Die chemischen und strukturellen Eigenschaften der beiden werden in Tabelle 1 verglichen.
Tabelle 1 Chemische und strukturelle Eigenschaften
|
Kristallstruktur |
dreiteiliges Kristallsystem Raumpunktgruppe R3c |
monoklines Kristallsystem Raumpunktgruppe C2-2 |
|
Zellparameter |
a=b=12.532 Å c=12.717 Å Z=6 |
a=7,116 Å b=4,993 Å c=6,508 Å β=105,62° Z=2 |
|
Schmelzpunkt |
~1095 ℃ |
726 ℃ |
|
Mohs-Härte |
4 Mohs |
5-5,5 Mohs |
|
Dichte |
3,85 g/cm3 |
5.033 g/cm3 |
|
Wärmeausdehnungskoeffizient |
α11=4×10-6 /K α33= 36×10-6 /K |
αa=4,8×10-5 /K αb=4,4×10-6 /K αc=-2,69×10-5 /K |
Entsprechend den unterschiedlichen optischen Eigenschaften lassen sich Kristalle in zwei Kategorien einteilen: optisch homogen (isotrop) und optisch heterogen (anisotrop). Das dreiteilige Kristallsystem, zu dem BBO gehört, und das monokline Kristallsystem, zu dem BIBO gehört, gehören zum optisch heterogenen System, während die dreiteilige Zellstruktur ein uniaxialer Kristall ist, mit den gleichen physikalischen Eigenschaften in den Richtungen der a- und b-Achsen. Das monokline Kristallsystem ist ein biaxialer Kristall mit unterschiedlichen charakteristischen Konstanten in allen drei Achsenrichtungen. Für nichtlineare Kristalle, wegen der Anisotropie, o Licht (sphärische gebrochenes Licht) und e Licht (ellipsoidische gebrochenes Licht) haben unterschiedliche Brechungsindizes, mit dem Phänomen der Doppelbrechung. e Licht Brechungsindex und der Brechungsindex des o Licht mit der Temperatur der unterschiedlichen Geschwindigkeit der Veränderung, die die Interaktion der Lichtwelle in das Medium zu beteiligen, in der Ausbreitung von Lichtwellen gibt es die gleiche Geschwindigkeit der Möglichkeit der Realisierung der effektiven Frequenzänderung. Somit haben sowohl BBO als auch BIBO nichtlineare optische Eigenschaften.
4 Optische Eigenschaften von BBO und BIBO
4.1 Nichtlineare optische Eigenschaften von BBO und BIBO
Die den Kristallstrukturen von BBO und BIBO innewohnende nicht zentrale Symmetrie schließt die Einhaltung klassischer zentraler Symmetriebedingungen aus, so dass sie nichtlineare optische Effekte aufweisen. Folglich reagieren die Atome oder Moleküle in diesen Kristallen nichtlinear auf das Lichtfeld, was zu Variationen der Polarisationsrate führt, die mit Änderungen der Lichtfeldintensität einhergehen. Diese nichtlineare Polarisationsrate führt zu den einzigartigen nichtlinearen optischen Eigenschaften von BBO und BIBO, die sich durch große nichtlineare optische Koeffizienten auszeichnen und ihre besonderen Anwendungen ermöglichen.
Anmerkung: (a): Projektionsdiagramm der Zelle in c-Richtung; (b): Projektionsdiagramm der Zelle in a-Richtung Tetraeder, Dreiecke, große und kleine Atome bezeichnen anionische Gruppen, [BO4]5-, [BO3]3-, Atome, Bi bzw. O [1]
BBO und BIBO weisen einige Unterschiede in ihren optischen Eigenschaften auf, vor allem in ihrem nichtlinearen optischen Koeffizienten und ihrer Transparenz. Was den nichtlinearen optischen Koeffizienten betrifft, so hat BBO einen größeren nichtlinearen optischen Koeffizienten in einem breiteren optischen Spektrum, das sich für eine Vielzahl nichtlinearer optischer Anwendungen eignet, wie z. B. Frequenzverdopplung, Summierungsdifferenzerzeugung usw. BIBO hat ebenfalls gute nichtlineare optische Eigenschaften, und sein nichtlinearer optischer Koeffizient ist in der Regel etwas niedriger als der von BBO, kann aber in einem bestimmten Wellenlängenbereich sogar besser sein. Was die Transparenz betrifft, so hat BBO eine gute Transparenz im sichtbaren und nahen Infrarotbereich, während BIBO etwas weniger transparent ist als BBO, insbesondere im sichtbaren Bereich.
Im Vergleich zu anderen nichtlinearen optischen Kristallen weisen BIBO-Kristalle jedoch eine bemerkenswerte Toleranz gegenüber optischen Verlusten auf und verfügen über einen breiten transparenten Spektralbereich. Außerdem schwanken die nichtlinearen optischen Koeffizienten von BIBO-Kristallen nur minimal mit der Temperatur, so dass sie ihre optischen Eigenschaften innerhalb eines bestimmten Bereichs stabil halten können.
Tabelle 2 Optische und nichtlineare optische Eigenschaften
|
Übertragungsband |
190-3500 nm |
286-2500nm |
|
|
Absorptionskoeffizient |
<0,1%/cm bei 1064 nm <1%/cm@532 nm |
<0,1%/cm bei 1064 nm |
|
|
1064/532 nm |
Verhältnis |
2,7 pm/V |
3,0±0,1 pm/V |
|
Empfangswinkel |
0,8mrad-cm (θ, TypⅠ, 1064 SHG) 1,27mrad-cm (θ, TypⅡ, 1064 SHG) |
2,32 mard-cm |
|
|
Abgangswinkel |
2,7° (TypⅠ, 1064 SHG) 3,2° (TypⅡ, 1064 SHG) |
25,6 mrad |
|
|
Temperatur-Bandbreite |
55 ℃-cm |
2.17 ℃-cm |
|
|
Sellmeier-Gleichung (λ/µm) |
no2 = 2,7359 + 0,01878 / (λ^2 - 0,01822) - 0,01354 λ^2 ne2 = 2,3753 + 0,01224 / (λ2 - 0,01667) - 0,01516 λ2 |
n1^2i(λ)=3.6545+0.0511/(λ^2-0.0371)-0.0226λ^2 n2^2i(λ)=3.0740+0.0323/(λ^2-0.0316)-0.01337λ^2 n3^2i(λ)=3.1685+0.0373/(λ^2-0.0346)-0.01750λ^2 |
|
4.2 Einführung in die nichtlinearen optischen Koeffizienten
Der nichtlineare optische Koeffizient ist eine grundlegende physikalische Größe, die charakterisiert, wie ein nichtlineares optisches Material auf die Lichtintensität reagiert. In der nichtlinearen Optik ist die Reaktion des Materials auf Licht nicht nur proportional zur Intensität, sondern hängt auch von höheren Potenzen der Intensität ab. Nichtlineare optische Koeffizienten dienen als Maß für die Stärke dieser nichtlinearen Reaktion. Ihre Werte werden durch verschiedene Faktoren beeinflusst, darunter Materialeigenschaften wie Kristallsymmetrie, Polarisation des elektrischen Feldes und Molekularstruktur. So weisen beispielsweise Kristalle mit nicht zentraler Symmetrie aufgrund ihrer einzigartigen Molekülanordnungen häufig größere nichtlineare optische Koeffizienten auf. Darüber hinaus spielen auch die Frequenz und die Intensität des einfallenden Lichts eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Reaktion des Materials. Licht mit höherer Frequenz oder Intensität kann stärkere nichtlineare Effekte hervorrufen. Insgesamt bietet das Verständnis der nichtlinearen optischen Koeffizienten Einblicke in die Wechselwirkung von Materialien mit Licht und ermöglicht die Entwicklung effizienter nichtlinearer optischer Geräte.
4.3 Faktoren, die die nichtlinear-optischen Koeffizienten beeinflussen
Die Größe des nichtlinear-optischen Koeffizienten wirkt sich direkt auf die Effizienz und Leistung eines Materials in nichtlinear-optischen Anwendungen aus. Je größer beispielsweise der nichtlineare optische Koeffizient bei Frequenzvervielfachern ist, desto effizienter vervielfacht das Material die Frequenz des einfallenden Lichts auf die gewünschte Frequenz. In ähnlicher Weise wirkt sich die Größe des nichtlinearen optischen Koeffizienten in einem optischen Modulator auf die Modulationstiefe und die Reaktionsgeschwindigkeit des Modulators aus.
5 Anwendungsszenarien für BBO und BIBO
5.1 Fortschritte in der optischen Forschung
BBO hat im Vergleich zu BIBO einen größeren nichtlinearen optischen Koeffizienten, was ihm bei bestimmten Anwendungen einen Vorteil verschafft. Bei einigen nichtlinearen optischen Anwendungen, wie z. B. Frequenzverdopplung, Summierung und differentielle Frequenzerzeugung, kann ein größerer nichtlinearer optischer Koeffizient die Effizienz des optischen Geräts verbessern, wodurch die gewünschte optische Umwandlung effektiver erreicht wird. Gleichzeitig kann ein größerer nichtlinearer optischer Koeffizient ein stärkeres Ausgangssignal bei gleicher Eingangsleistung erzeugen, wodurch der Leistungsbedarf der Optik verringert wird. Darüber hinaus erfordern einige spezifische Anwendungen größere nichtlineare optische Effekte, so dass größere nichtlineare optische Koeffizienten das Spektrum der Anwendungen, für die das Material verwendet werden kann, erweitern können.
Im Bereich der optischen Forschung erzielten Stanton EJ et al. [2] eine Cherenkov-Phasenanpassung an einer gebundenen Grenzfläche, die aus nichtlinearen SiN- und BBO-Kristallen besteht. Die Korrelation zwischen Emissionswinkel, Umwandlungswirkungsgrad und Ausgangsleistung wird durch eine systematische Untersuchung der Wellenleiterabmessungen und der Pumpleistung analysiert. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen die Machbarkeit der Erzeugung von Lasern im fernen Ultraviolett und bieten theoretische Unterstützung für die Massenproduktion kompakter Produkte, die ein großes Potenzial für Anwendungen in der Desinfektion von Menschen, der Kommunikation im freien Raum ohne Sichtverbindung und der Raman-Spektroskopie im tiefen Ultraviolett haben.
Herausforderungen und Nachteile
Größere nichtlineare optische Koeffizienten können jedoch einige Herausforderungen und Nachteile mit sich bringen. So kann eine größere nichtlineare optische Reaktion zu erhöhten optischen Verlusten im Material führen, was die Effizienz des Geräts verringert. In einigen Fällen können größere nichtlineare optische Koeffizienten zu optischen Sättigungseffekten führen, die den dynamischen Bereich und die Leistung des Geräts einschränken. Darüber hinaus können einige Materialien aufgrund einer großen nichtlinearen optischen Reaktion schlechte Leistungen in Bezug auf Stabilität und Haltbarkeit erbringen. In solchen Anwendungsszenarien ist BIBO besser geeignet als BBO, dessen mäßige nichtlineare optische Koeffizienten und ausgezeichnete Stabilität es erlauben, einen bestimmten Bereich von Anwendungen mit höheren Stabilitätsanforderungen zu übernehmen.
6 Herstellungsverfahren von BBO und BIBO
6.1 Herstellungsverfahren für BBO
Bei der Züchtung von BBO werden Ba(OH)2-8H2O und H3BO3 in einem Molverhältnis von 2:3 gerührt und gemischt, ein Flussmittel für die Reaktion zugegeben, nach Abschluss der Reaktion bei 200-250 °C getrocknet und 4-5 Stunden lang bei 500°C-600°C gesintert, um Kristalle der Niedertemperaturphase BBO zu erhalten. Nach Abschluss der Reaktion wird es bei 200-250°C getrocknet und anschließend bei 500°C-600°C für 4-5 Stunden gesintert, um Kristalle der Niedertemperaturphase BBO zu erhalten. Bei diesem Verfahren wird die Methode der Niedertemperatur-Festkörperreaktion angewandt, wobei Bariumhydroxid und Borsäure als Rohstoffe verwendet werden, ohne andere umständliche Schritte, das Verfahren ist einfach; verbesserte Konvektion unter dem Kristall, wodurch die Fehlerrate reduziert wird.
6.2 Herstellungsverfahren von BIBO-TSSG
BIBO wird nach der Top-Saatkristall-Methode (TSSG) gezüchtet, bei der die Schmelze extrem zähflüssig ist, ähnlich wie die Lösung, in der das Glas gebildet wird, und die Verwendung von TSSG ermöglicht das Wachstum der Kristalle aus der hochviskosen Boratschmelze. Äquivalente stöchiometrische Mengen von Bi2O3 und B2O3 wurden in einem Platintiegel bei einer konstanten Temperatur von 900 °C nach gründlicher Zerkleinerung und Homogenität geschmolzen, und ein Platindraht wurde für das induzierte Wachstum der Kristalle verwendet, wobei spontane Keimbildung in der Nähe des kälteren Platindrahtes zur Bildung von Polykristallen führte, die als Impfkristalle für das Wachstum verwendet wurden.
Da die Dichte von B2O3 viel geringer ist als die von Bi2O3, sammelt es sich an der Flüssigkeitsoberfläche in der Schmelze, und die Reaktion ist nicht ausreichend, so dass der erzeugte Kristall Bi2B8O15 ist. um einen Einkristall zu erzeugen, wird das erzwungene Wachstum des Impfkristalls verwendet, und transparentes Bi2B8O15 wird als Impfkristall gewählt, um Polykristalle aus BiB3O6 und einer kleinen Menge Bi2B8O15 unterhalb des Sättigungspunkts zu erhalten. Anschließend wird das BiB3O6 für die Eliminierung von Mehrfachwachstum ausgewählt, um Einkristalle zu erhalten. Das Phänomen des polaren Wachstums von BiB3O6-Kristallen ist schwerwiegender. Um große Größen, weniger Defekte und eine hohe Ausnutzung der Einkristalle zu erreichen, ist es notwendig, ein gerichtetes Wachstum zu verwenden.
Während des Kristallwachstums beträgt die Rotationsgeschwindigkeit des Impfkristalls in der Regel 3~5r/min, und die Abkühlungsrate beträgt 0,1~1℃/d, wobei die Gesamtabkühlung nicht mehr als 3~4℃ beträgt, um die Bildung von parasitären Kristallen zu verhindern. Die Kristalle werden am Ende des Kristallwachstums von der Seite abgehoben und mit einer Geschwindigkeit von 15~25°C/h auf Raumtemperatur abgekühlt. Es sollte darauf geachtet werden, dass die Abkühlgeschwindigkeit nicht zu langsam ist, damit die Schmelze nicht zu schnell glasig wird, und um ein Überlaufen der kristallinen, sich ausdehnenden Schmelze, die die Kristalle umhüllt, zu vermeiden.
Schlussfolgerung
BBO und BIBO haben aufgrund ihrer Kristallstruktur nichtlineare optische Eigenschaften, die in Lasern, elektrooptischen Geräten und anderen optischen Umwandlungsgeräten verwendet werden können. BBO hat einen größeren nichtlinearen optischen Koeffizienten, der das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung des Geräts effektiv verbessern, die Anforderungen an die Eingangsleistung des optischen Geräts verringern und den Anwendungsbereich des Materials erweitern kann, während BIBO einen mäßigeren nichtlinearen optischen Koeffizienten und eine höhere Stabilität des variablen Temperaturkoeffizienten hat, wodurch der durch das Material verursachte optische Verlust effektiv vermieden werden kann und gleichzeitig der dynamische Bereich des Geräts und die Leistung des Geräts weniger eingeschränkt sind und die Stabilität und Haltbarkeit ebenfalls höher sind.
Bei der Herstellung wird die Top-Seed-Kristall-Methode für das Wachstum verwendet, und der Prozess von BBO ist einfacher als der von BIBO, mit etwas geringeren Anforderungen an den Prozess. Die Wahl sollte auf dem Szenario beruhen, in dem es eingesetzt werden soll, auf der betrieblichen Effizienz, der Stabilität und Sicherheit sowie den Gesamtkosten. Bei der Auswahl können Sie sich von den SAM-Experten beraten und unterstützen lassen.
Weiterführende Lektüre:
Andere Artikel in Optik:
Ytterbium-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat
Referenz:
[1] Zi-fang J, Jing-lin Y, Patrick S, et al. [Microstructure study on bismuth triborate crystal and its melt at high temperature by Raman spectroscopy]. [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.
