介绍一种性能优良的双折射α-BBO晶体

α-BBO晶体

福晶科技拥有业内最大的α-BBO晶体生产规模，大尺寸毛坯生长技术引领世界水平

光在非均质体中传播时，其传播速度和折射率值随振动方向不同而改变，其折射率值不止一个。光波入射非均质体，除特殊方向以外，都要发生双折射，分解成振动方向互相垂直、传播速度不同、折射率不等的两种偏振光，此现象即为双折射（如图1所示）。产生双折射现象的晶体叫做双折射晶体，其作用类似于两个透振方向互相垂直的起偏器。

图1 双折射现象

α-BBO晶体是一种性能突出的双折射晶体，具有大的双折射率、宽的透光范围等优异的光学特性，广泛应用于光偏转技术、高功率激光和超快激光应用等领域。主要用于制作：

紫外偏振棱镜如格兰泰勒棱镜、渥拉斯顿棱镜；

高功率光隔离器；

超快激光的群速失配补偿器等。

一

α-BBO晶体的一些特性

双折射晶体的种类众多，α-BBO以其优异的光学特性弥补了YVO4、CaCO3等传统双折射晶体的不足，是一种理想的紫外双折射晶体。

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α-BBO晶体简介

偏硼酸钡（BaB2O4）存在着高温相（α-BBO ）和低温相（β-BBO）两种多型体，熔点为1095℃，其相变温度为925℃左右[1]。

众所周知，低温相 β- BBO晶体是一种优良的非线性光学晶体，在激光倍频、混频和光参量振荡等方面应用广泛。福晶科技是BBO晶体世界领导者，全球市场份额高达70%以上，在三十余年的发展历程中对超快激光、量子科学发展起到了巨大的推动作用，

高温相α-BBO晶体属三方晶系，单胞参数为：a=b=0.7235nm，c=3.9192 nm。高温相α-BBO晶体为负光轴晶体，具有大的双折射率，透光范围为189～3500nm，物理化学性能稳定，机械加工性能优异。但因为具有中心对称结构，因此不同于β-BBO，α-BBO晶体无二阶非线性效应。

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光在α-BBO晶体中的传播

α- BBO晶体为负光轴晶体，根据o光、e光的特点，利用惠更斯原理可作出o、e光在晶体中的传播方向[2]，下面我们分情况进行讨论：

(1)斜入射：

①由于光轴在入射面内（此处是纸面），两主截面重合，所以，两光均在入射面内，o光光矢量垂直于入射面，e光光矢量平行于入射面（如图2所示）。

②若光轴不在入射面内时，两主截面不再重合，E点已不在入射面内，e光也不在入射面内。

③当入射方向与光轴平行时，e光将与入射线在法线同侧（如图3所示）。

图2  o光光矢量垂直于入射面，

e光光矢量平行于入射面

图3 入射方向与光轴平行，

e光与入射线在法线同侧

(2)垂直入射：

①光轴垂直于晶体表面且平行于入射面。o、e光速度相同，方向相同，不发生双折射（如图4所示）。

图4  o、e光速度相同，方向相同，不发生双折射

②光轴平行于晶体表面且垂直于入射面。o、e光方向相同，但光速不同，直观上不分开，要发生双折射（如图5所示）。

图5  o、e光方向相同，但光速不同，发生双折射

③光轴平行于晶体表面且平行于入射面。o、e光方向相同，但速度不同，直观上不分开，要发生双折射（如图6所示）。

图6  o、e光方向相同，但光速不同，发生双折射

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α-BBO晶体的光学特性

α-BBO晶体具有非常良好的光学性能，在紫外到中红外都具有很好的透过，它有如下一些特征：

(1)具有大的双折射率；

(2)透光范围为189~3500nm；

(3)物理化学性能稳定；

(4)机械加工性能优异；

(5)尤其在紫外区的透过率很高（95%），其性能优于YVO4和CaCO3晶体。表1列举了α-BBO晶体与二者的对比：

表1 α-BBO晶体与其他双折射晶体的光学特性对比[3]

二

福晶科技α-BBO晶体的发展情况

福晶科技从事α－BBO晶体生长研发多年，在原料配方设计、原料合成处理、温场设计优化等方面积累了大量研究实验的成果和经验，拥有业内最大的α-BBO晶体生产规模，并于2022年在大尺寸α-BBO晶体毛坯生长技术领域取得了重要突破，实现了1公斤级别大尺寸、高质量毛坯的稳定生长，将现有报道中世界α-BBO晶体生长水平向前推进了一步。

福晶科技的α-BBO晶体生长经过多年研发创新，技术水平处于世界领先水平。

1、通过特殊的离子掺杂技术，保证晶体结构稳定[3][4]，同时改善了内部应力，减少了晶体加工过程中的开裂。

偏硼酸钡（BaB2O4）存在着高温相（α-BBO）和低温相（β- BBO）两种多型体，熔点为1095℃，其相变温度为925℃左右[1]。通常α-BBO晶体采用提拉法（CZ法）从BBO熔体生长，但在生长过程中，开始可以长出十分透明、完整的α- BBO单晶，但随着晶体冷却通过相变点温度（925℃）时，晶体就从α相转变成β相，结果引起了晶体失透及破坏性破碎。而且提拉法生长的α-BBO晶体容易沿着（001）解理。因此，采用CZ法从BBO熔体中生长出大尺寸完整的、高质量的α-BBO晶体是非常困难的。

项目团队对α-BBO原料进行特殊的离子掺杂，使得α-BBO晶体从高温降至低温的情况下不发生相变，仍然保持α相晶体结构，从而避免了因结构变化而导致的晶体严重开裂现象。另一方面，由于晶体高温生长，内部不可避免存在热应力，在后续的切割抛光等加工过程容易导致开裂，掺杂离子的加入，有效改善了内部的热应力，极大减少了后续加工过程中发生的开裂现象，对于提高成品率、降低成本起到了巨大的贡献作用。

2、通过精确的自动提拉控制，结合各个工艺参数的优化，使得晶体内部缺陷极少，光学均匀性高，从而使晶体具备体吸收小、波前畸变小的特点。国内能够批量提供α-BBO晶体及器件的厂家屈指可数，福晶科技拥有数十台自动化生长炉生产α-BBO晶体，能够稳定提供高质量、性能优异的α-BBO晶体及元件。

3.α-BBO晶体产品指标

福晶科技可稳定、批量供应大尺寸、高精度的α-BBO晶体元器件，基本加工指标如表2所示。

表2产品加工参数

图9 Zygo测试α-BBO波前参数

福晶科技生长的α-BBO晶体内部质量良好，晶体吸收小（图9），具有良好的紫外透过（图10）。

图10 α-BBO晶体的吸收测试

审核编辑：刘清