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YCOB晶体及其应用

晶体 / 2025年1月17日

非线性光学晶体在现代激光技术中占有重要地位。通过频率转换技术，非线性光学晶体使激光能够覆盖从紫外到中红外的更宽光谱。三硼酸氧钙钇（YCOB）是一种特殊的非线性晶体，以其宽广的透明度范围、高热稳定性和出色的机械性能而著称。与传统晶体相比，YCOB 在高功率激光和恶劣环境条件下表现出卓越的稳定性，使其成为激光频率转换领域的关键材料。

什么是YCOB？

定义

YCOB 晶体的化学式为 YCa₄O(BO₃)₃，属于单斜双轴负晶系。它们具有独特的晶体结构，其中的 BO₃ 基团具有很高的非线性光学效率。结构中钙和钇的结合使 YCOB 晶体具有低吸湿性和卓越的热机械稳定性。

YCOB非线性晶体
图1. 芯飞睿生长的YCOB晶体

特性

  • 广泛的透明度范围： 从紫外线（约 200 nm）到中红外线（约 4 µm）。
  • 高热稳定性： 在较宽的温度范围内保持稳定的光学性能。
  • 卓越的机械性能： 高硬度和抗开裂性，是高功率激光应用的理想材料。
  • 高非线性光学系数： 与 LBO 晶体相当或超过 LBO 晶体。
  • 吸湿性低： 与其他硼酸盐晶体相比，具有更强的抗环境湿度能力。

YCOB 的应用

频率转换

YCOB 晶体广泛用于将 Nd:YAG 激光器的基波（1064 nm）转换为 532 nm 的绿光，适用于科学研究和工业应用。

光参量放大 (OPA)

YCOB 晶体在高能激光系统中表现出色，可有效产生满足精确光谱要求的可调谐光源。

高能激光系统

YCOB 晶体特别适用于高功率激光系统。例如，在要求高重复率和峰值功率的应用中，YCOB 的热容性和宽角度接受能力可显著提高系统稳定性。实验表明，使用布里奇曼方法生长的 YCOB 晶体的二次谐波转换效率高达 70.2%，与传统的 LBO 晶体相当。

精密激光应用

YCOB 晶体已成功应用于医疗美容和工业打标的绿色微型激光器中。它们在 527 nm 和 532 nm 波长转换时性能稳定，非常适合需要高精度和高稳定性的应用场合。

如何使用 YCOB？

晶体选择

YCOB 晶体的生长可采用提拉法（Czochralski）或布里奇曼法（Bridgman）方法。研究表明，布里奇曼法可以生产出光学质量更高的大晶体，适用于大孔径应用。

图2. ZC提拉法示意图

温度调谐

YCOB 晶体在很宽的温度范围内（超过 200°C）都能保持很高的频率转换效率。实验表明，YCOB 晶体随温度变化的效率斜率小于 -0.06%/°C，明显优于 LBO 晶体。这一特性使它们在温度波动的环境中非常有效。

性能优化

  • 相位匹配：选择适当的切割角度（如 θ = 31° 和 φ = 180°），以实现最佳相位匹配。
  • 光束质量： 通过调整光束聚焦条件（如焦距和光斑大小）提高转换效率。
  • 表面处理： 使用具有防反射涂层的晶体，以尽量减少反射损失。

YCOB 的优势

与 LBO 晶体的比较

  • 非线性系数： YCOB的非线性系数略高于 LBO。
  • 热稳定性： YCOB的热耐受性远远超过 LBO。
  • 损坏阈值： 在高功率应用中，YCOB 具有更高的抗光损伤能力。
芯飞睿LBO非线性晶体
图3. 芯飞睿的LBO非线性晶体

与 BBO 晶体的比较

  • 非线性系数： YCOB 和 BBO 在 800 nm 左右的增益带宽方面不相上下，但 YCOB 的温度接受范围更广，热导率更高。
  • 大晶体生长： BBO 晶体仅限于较小的孔径（通常为几厘米），而 YCOB 可以生长到 100 毫米的孔径，因此适用于高能激光应用。

与 DKDP 晶体的比较

  • 热稳定性： YCOB 具有优异的热机械性能和较低的热膨胀系数，而 DKDP 则具有较强的吸湿性和较差的热性能，这限制了其在恶劣环境中的应用。
  • 增益带宽：DKDP 可在高氘化水平下提供更宽的增益带宽，但 YCOB 具有更高的热稳定性和损坏阈值，因此更适合高重复率应用。

大晶体的可行性

通过布里奇曼方法生长的 YCOB 晶体可以实现大尺寸和大孔径，使其成为光参量放大和高能激光系统的理想选择。

结论

YCOB 晶体具有优异的非线性光学特性和热稳定性，在激光频率转换领域大有可为。它们在高功率和苛刻条件下的稳定性为现代激光技术提供了更多可能性。随着制造技术的不断提高，YCOB 晶体有望在科学研究、工业应用和医疗技术领域发挥更重要的作用。

FAQs

  • Q1. 什么是 YCOB 晶体？
    YCOB 是一种硼酸钇钙非线性光学晶体，广泛用于激光频率转换和高功率激光系统。
  • Q2. YCOB 与其他非线性晶体相比有何优势？
    YCOB 具有高热稳定性、宽透明度范围和低吸湿性，是 LBO 和 DKDP 等晶体的理想替代品。
  • Q3. YCOB 晶体的典型应用是什么？
    它们可用于绿激光、光学参量放大、医疗美容和工业标识。
  • Q4. 如何优化 YCOB 晶体的频率转换性能？
    通过调整切割角度、选择适当的温度范围和优化光束聚焦条件。

参考文献

[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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