α-BBO晶體

福晶科技擁有業(yè)內(nèi)最大的α-BBO晶體生產(chǎn)規(guī)模，大尺寸毛坯生長技術(shù)引領(lǐng)世界水平

光在非均質(zhì)體中傳播時，其傳播速度和折射率值隨振動方向不同而改變，其折射率值不止一個。光波入射非均質(zhì)體，除特殊方向以外，都要發(fā)生雙折射，分解成振動方向互相垂直、傳播速度不同、折射率不等的兩種偏振光，此現(xiàn)象即為雙折射（如圖1所示）。產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象的晶體叫做雙折射晶體，其作用類似于兩個透振方向互相垂直的起偏器。

圖1 雙折射現(xiàn)象

α-BBO晶體是一種性能突出的雙折射晶體，具有大的雙折射率、寬的透光范圍等優(yōu)異的光學特性，廣泛應(yīng)用于光偏轉(zhuǎn)技術(shù)、高功率激光和超快激光應(yīng)用等領(lǐng)域。主要用于制作：

紫外偏振棱鏡如格蘭泰勒棱鏡、渥拉斯頓棱鏡；

高功率光隔離器；

超快激光的群速失配補償器等。

一

α-BBO晶體的一些特性

雙折射晶體的種類眾多，α-BBO以其優(yōu)異的光學特性彌補了YVO4、CaCO3等傳統(tǒng)雙折射晶體的不足，是一種理想的紫外雙折射晶體。

1

α-BBO晶體簡介

偏硼酸鋇（BaB2O4）存在著高溫相（α-BBO ）和低溫相（β-BBO）兩種多型體，熔點為1095℃，其相變溫度為925℃左右[1]。

眾所周知，低溫相 β- BBO晶體是一種優(yōu)良的非線性光學晶體，在激光倍頻、混頻和光參量振蕩等方面應(yīng)用廣泛。福晶科技是BBO晶體世界領(lǐng)導者，全球市場份額高達70%以上，在三十余年的發(fā)展歷程中對超快激光、量子科學發(fā)展起到了巨大的推動作用，

高溫相α-BBO晶體屬三方晶系，單胞參數(shù)為：a=b=0.7235nm，c=3.9192 nm。高溫相α-BBO晶體為負光軸晶體，具有大的雙折射率，透光范圍為189～3500nm，物理化學性能穩(wěn)定，機械加工性能優(yōu)異。但因為具有中心對稱結(jié)構(gòu)，因此不同于β-BBO，α-BBO晶體無二階非線性效應(yīng)。

2

光在α-BBO晶體中的傳播

α- BBO晶體為負光軸晶體，根據(jù)o光、e光的特點，利用惠更斯原理可作出o、e光在晶體中的傳播方向[2]，下面我們分情況進行討論：

(1)斜入射：

①由于光軸在入射面內(nèi)（此處是紙面），兩主截面重合，所以，兩光均在入射面內(nèi)，o光光矢量垂直于入射面，e光光矢量平行于入射面（如圖2所示）。

②若光軸不在入射面內(nèi)時，兩主截面不再重合，E點已不在入射面內(nèi)，e光也不在入射面內(nèi)。

③當入射方向與光軸平行時，e光將與入射線在法線同側(cè)（如圖3所示）。

圖2 o光光矢量垂直于入射面，

e光光矢量平行于入射面

圖3入射方向與光軸平行，

e光與入射線在法線同側(cè)

(2)垂直入射：

①光軸垂直于晶體表面且平行于入射面。o、e光速度相同，方向相同，不發(fā)生雙折射（如圖4所示）。

圖4 o、e光速度相同，方向相同，不發(fā)生雙折射

②光軸平行于晶體表面且垂直于入射面。o、e光方向相同，但光速不同，直觀上不分開，要發(fā)生雙折射（如圖5所示）。

圖5 o、e光方向相同，但光速不同，發(fā)生雙折射

③光軸平行于晶體表面且平行于入射面。o、e光方向相同，但速度不同，直觀上不分開，要發(fā)生雙折射（如圖6所示）。

圖6 o、e光方向相同，但光速不同，發(fā)生雙折射

3

α-BBO晶體的光學特性

α-BBO晶體具有非常良好的光學性能，在紫外到中紅外都具有很好的透過，它有如下一些特征：

(1)具有大的雙折射率；

(2)透光范圍為189~3500nm；

(3)物理化學性能穩(wěn)定；

(4)機械加工性能優(yōu)異；

(5)尤其在紫外區(qū)的透過率很高（95%），其性能優(yōu)于YVO4和CaCO3晶體。表1列舉了α-BBO晶體與二者的對比：

表1 α-BBO晶體與其他雙折射晶體的光學特性對比[3]

二

福晶科技α-BBO晶體的發(fā)展情況

福晶科技從事α－BBO晶體生長研發(fā)多年，在原料配方設(shè)計、原料合成處理、溫場設(shè)計優(yōu)化等方面積累了大量研究實驗的成果和經(jīng)驗，擁有業(yè)內(nèi)最大的α-BBO晶體生產(chǎn)規(guī)模，并于2022年在大尺寸α-BBO晶體毛坯生長技術(shù)領(lǐng)域取得了重要突破，實現(xiàn)了1公斤級別大尺寸、高質(zhì)量毛坯的穩(wěn)定生長，將現(xiàn)有報道中世界α-BBO晶體生長水平向前推進了一步。

福晶科技的α-BBO晶體生長經(jīng)過多年研發(fā)創(chuàng)新，技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先水平。

1、通過特殊的離子摻雜技術(shù)，保證晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[3][4]，同時改善了內(nèi)部應(yīng)力，減少了晶體加工過程中的開裂。

偏硼酸鋇（BaB2O4）存在著高溫相（α-BBO）和低溫相（β- BBO）兩種多型體，熔點為1095℃，其相變溫度為925℃左右[1]。通常α-BBO晶體采用提拉法（CZ法）從BBO熔體生長，但在生長過程中，開始可以長出十分透明、完整的α- BBO單晶，但隨著晶體冷卻通過相變點溫度（925℃）時，晶體就從α相轉(zhuǎn)變成β相，結(jié)果引起了晶體失透及破壞性破碎。而且提拉法生長的α-BBO晶體容易沿著（001）解理。因此，采用CZ法從BBO熔體中生長出大尺寸完整的、高質(zhì)量的α-BBO晶體是非常困難的。

項目團隊對α-BBO原料進行特殊的離子摻雜，使得α-BBO晶體從高溫降至低溫的情況下不發(fā)生相變，仍然保持α相晶體結(jié)構(gòu)，從而避免了因結(jié)構(gòu)變化而導致的晶體嚴重開裂現(xiàn)象。另一方面，由于晶體高溫生長，內(nèi)部不可避免存在熱應(yīng)力，在后續(xù)的切割拋光等加工過程容易導致開裂，摻雜離子的加入，有效改善了內(nèi)部的熱應(yīng)力，極大減少了后續(xù)加工過程中發(fā)生的開裂現(xiàn)象，對于提高成品率、降低成本起到了巨大的貢獻作用。

2、通過精確的自動提拉控制，結(jié)合各個工藝參數(shù)的優(yōu)化，使得晶體內(nèi)部缺陷極少，光學均勻性高，從而使晶體具備體吸收小、波前畸變小的特點。國內(nèi)能夠批量提供α-BBO晶體及器件的廠家屈指可數(shù)，福晶科技擁有數(shù)十臺自動化生長爐生產(chǎn)α-BBO晶體，能夠穩(wěn)定提供高質(zhì)量、性能優(yōu)異的α-BBO晶體及元件。

3.α-BBO晶體產(chǎn)品指標

福晶科技可穩(wěn)定、批量供應(yīng)大尺寸、高精度的α-BBO晶體元器件，基本加工指標如表2所示。

表2產(chǎn)品加工參數(shù)

圖9Zygo測試α-BBO波前參數(shù)

福晶科技生長的α-BBO晶體內(nèi)部質(zhì)量良好，晶體吸收小（圖9），具有良好的紫外透過（圖10）。

圖10α-BBO晶體的吸收測試

審核編輯：劉清