De la structure à l'application : Le BIBO ou le BBO est-il le meilleur cristal ?
1 Résumé
Les cristaux de boratede bêta-baryum (BBO) et de triborate de bismuth (BIBO) sont des cristaux qui doublent la fréquence. Ils se caractérisent par une bonne transparence dans le visible et le proche infrarouge et par leurs propriétés optiques non linéaires, ce qui a conduit à leur utilisation généralisée dans les applications optiques non linéaires. En raison des coefficients optiques non linéaires différents du BBO et du BIBO, ils sont également utilisés dans des scénarios d'application différents.
Le BBO a un coefficient optique non linéaire élevé. Dans les scénarios d'application du doublage de fréquence optique, de la sommation et de la génération de fréquences différentielles, son coefficient optique non linéaire élevé peut améliorer l'efficacité et la conversion effective, et produire des signaux de sortie plus forts avec la même puissance d'entrée, réduisant ainsi la puissance requise par le dispositif utilisé.
Le coefficient optique non linéaire modéré du BIBO permet d'atténuer les pertes optiques et d'éviter les limitations de performance dues aux effets de saturation optique. En outre, le coefficient optique non linéaire du cristal BIBO varie relativement peu avec la température, ce qui lui permet de maintenir des performances optiques stables dans une certaine gamme. Il est donc largement utilisé dans les modulateurs optiques, les doubleurs de fréquence laser, les mesures optiques, etc.
Dans cet article, SAM compare les cristaux BBO et BIBO sous quatre aspects : structure cristalline, propriétés optiques, scénarios d'application, préparation et coût, afin de vous fournir une référence pour votre choix.
2 Introduction au BBO et au BIBO
Le borate de baryum, également connu sous le nom de BaB2O4 ou Ba(BO2)2, est un composé inorganique. Il existe sous forme hydratée et déshydratée et se présente sous la forme d'une poudre blanche ou de cristaux incolores. Les cristaux présentent deux phases distinctes : la phase α à haute température et la phase β à basse température. Les deux phases présentent une biréfringence, ce qui fait du borate de baryum (BBO) en phase β un matériau optique non linéaire largement utilisé.
Le triborate de bismuth (BiB3O6, BIBO) est un cristal optique non linéaire récemment développé. Il possède un grand coefficient optique non linéaire effectif, un seuil de dommage élevé et n'est pas sensible à la déliquescence. Il se présente généralement sous la forme de cristaux incolores.
3 Structure cristalline du BBO et du BIBO
Le BBO appartient au système cristallin tripartite, dans lequel les ions borate du réseau sont disposés en forme triangulaire et les ions baryum occupent les positions vides. Le BIBO appartient au système cristallin monoclinique. Les propriétés chimiques et structurelles des deux produits sont comparées dans le tableau 1.
Tableau 1 Propriétés chimiques et structurelles
|
Structure cristalline |
système cristallin tripartite groupe de points d'espace R3c |
système cristallin monoclinique groupe de points d'espace C2-2 |
|
Paramètres de la cellule |
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 |
|
Point de fusion |
~1095 ℃ |
726 ℃ |
|
Dureté Mohs |
4 Mohs |
5-5,5 Mohs |
|
Densité |
3,85 g/cm3 |
5,033 g/cm3 |
|
Coefficient de dilatation thermique |
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 |
En fonction de leurs différentes propriétés optiques, les cristaux peuvent être divisés en deux catégories : les cristaux optiques homogènes (isotropes) et les cristaux optiques hétérogènes (anisotropes). Le système cristallin tripartite auquel appartient le BBO et le système cristallin monoclinique auquel appartient le BIBO font partie du système optique hétérogène, tandis que la structure cellulaire tripartite est un cristal uniaxial, avec les mêmes propriétés physiques dans les directions des axes a et b. Le système cristallin monoclinique est un cristal biaxial avec des constantes caractéristiques différentes dans les trois directions de l'axe. Pour les cristaux non linéaires, en raison de l'anisotropie, la lumière o (lumière réfractée sphérique) et la lumière e (lumière réfractée ellipsoïdale) ont des indices de réfraction différents, avec le phénomène de biréfringence. L'indice de réfraction de la lumière e et l'indice de réfraction de la lumière o avec la température de la vitesse différente du changement, ce qui rend l'interaction de l'onde lumineuse dans le milieu participer à la propagation des ondes lumineuses il y a la même vitesse de la possibilité de réaliser le changement de fréquence efficace. Ainsi, le BBO et le BIBO ont tous deux des propriétés optiques non linéaires.
4 Propriétés optiques du BBO et du BIBO
4.1 Propriétés optiques non linéaires du BBO et du BIBO
La symétrie non centrale inhérente aux structures cristallines du BBO et du BIBO les empêche d'adhérer aux conditions classiques de symétrie centrale, ce qui leur permet de présenter des effets optiques non linéaires. Par conséquent, les atomes ou les molécules à l'intérieur de ces cristaux répondent de manière non linéaire au champ lumineux, ce qui entraîne des variations du taux de polarisation correspondant à des changements d'intensité du champ lumineux. C'est ce taux de polarisation non linéaire qui engendre les propriétés optiques non linéaires uniques du BBO et du BIBO, caractérisées par de grands coefficients optiques non linéaires et facilitant leurs applications distinctives.
Note : (a) : Diagramme de projection de la cellule dans la direction c ; (b) : Diagramme de projection de la cellule dans la direction a Les tétraèdres, les triangles, les atomes grands et petits désignent les groupes anioniques, [BO4]5-, [BO3]3-, les atomes, Bi et O, respectivement [1]
Les propriétés optiques du BBO et du BIBO diffèrent quelque peu, principalement en ce qui concerne leur coefficient optique non linéaire et leurs différences de transparence. En termes de coefficient optique non linéaire, le BBO a un coefficient optique non linéaire plus important dans un spectre optique plus large, ce qui convient à une variété d'applications optiques non linéaires, telles que le doublage de fréquence, la génération de différence de sommation, etc. Le BIBO possède également de bonnes propriétés optiques non linéaires, et son coefficient optique non linéaire est généralement un peu plus faible que celui du BBO, mais il peut être encore meilleur dans une gamme de longueurs d'onde spécifique. En termes de transparence, le BBO présente une bonne transparence dans le visible et le proche infrarouge, tandis que le BIBO est légèrement moins transparent que le BBO, en particulier dans le visible.
Cependant, comparés à d'autres cristaux optiques non linéaires, les cristaux de BIBO présentent une tolérance remarquable aux pertes optiques et possèdent une large gamme spectrale transparente. En outre, les coefficients optiques non linéaires des cristaux de BIBO varient très peu en fonction de la température, ce qui leur permet de conserver des propriétés optiques stables dans une certaine plage.
Tableau 2 Propriétés optiques et optiques non linéaires
|
Bande de transmission |
190-3500 nm |
286-2500 nm |
|
|
Coefficient d'absorption |
<0,1%/cm@1064 nm <1%/cm@532 nm |
<0,1%/cm@1064 nm |
|
|
1064/532 nm |
Rapport |
2,7 pm/V |
3,0±0,1 pm/V |
|
Angle de réception |
0,8 mrad-cm (θ, TypeⅠ, 1064 SHG) 1,27 mrad-cm (θ, TypeⅡ, 1064 SHG) |
2,32 mard-cm |
|
|
Angle de départ |
2,7° (TypeⅠ, 1064 SHG) 3,2° (TypeⅡ, 1064 SHG) |
25,6 mrad |
|
|
Bande passante en température |
55 ℃-cm |
2,17 ℃-cm |
|
|
Équation de Sellmeier (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 Introduction aux coefficients optiques non linéaires
Le coefficient optique non linéaire est une grandeur physique fondamentale qui caractérise la façon dont un matériau optique non linéaire réagit à l'intensité de la lumière. En optique non linéaire, la réponse du matériau à la lumière n'est pas uniquement proportionnelle à l'intensité, mais dépend également de puissances supérieures de l'intensité. Les coefficients optiques non linéaires servent à mesurer l'intensité de cette réponse non linéaire. Leurs valeurs sont influencées par divers facteurs, notamment les propriétés du matériau, telles que la symétrie cristalline, la polarisation du champ électrique et la structure moléculaire. Par exemple, les cristaux à symétrie non centrale présentent souvent des coefficients optiques non linéaires plus élevés en raison de leurs arrangements moléculaires uniques. En outre, la fréquence et l'intensité de la lumière incidente jouent également un rôle crucial dans la détermination de la réponse du matériau. Une fréquence ou une intensité lumineuse plus élevée peut induire des effets non linéaires plus importants. Dans l'ensemble, la compréhension des coefficients optiques non linéaires permet de comprendre comment les matériaux interagissent avec la lumière et de concevoir des dispositifs optiques non linéaires efficaces.
4.3 Facteurs influençant les coefficients optiques non linéaires
L'ampleur du coefficient optique non linéaire affecte directement l'efficacité et les performances d'un matériau dans les applications optiques non linéaires. Par exemple, dans les multiplicateurs de fréquence, plus le coefficient optique non linéaire est élevé, plus le matériau multiplie efficacement la fréquence de la lumière incidente à la fréquence souhaitée. De même, dans un modulateur optique, l'ampleur du coefficient optique non linéaire affectera la profondeur de modulation et la vitesse de réponse du modulateur.
5 Scénarios d'application pour le BBO et le BIBO
5.1 Progrès de la recherche en optique
Le BBO a un coefficient optique non linéaire plus important que le BIBO, ce qui lui confère un avantage dans certaines applications. Dans certaines applications optiques non linéaires, telles que le doublage de fréquence, la sommation et la génération de fréquences différentielles, un coefficient optique non linéaire plus élevé peut améliorer l'efficacité du dispositif optique, le rendant plus apte à réaliser la conversion optique souhaitée. En même temps, des coefficients optiques non linéaires plus importants peuvent produire un signal de sortie plus fort à puissance d'entrée égale, réduisant ainsi les besoins en énergie de l'optique. En outre, certaines applications spécifiques nécessitent des effets optiques non linéaires plus importants, de sorte que des coefficients optiques non linéaires plus importants peuvent élargir la gamme d'applications pour lesquelles le matériau peut être utilisé.
Dans le domaine de la recherche optique, Stanton EJ et al [2] ont réalisé une adaptation de phase Cherenkov sur une interface collée composée de cristaux non linéaires SiN et BBO. La corrélation entre l'angle d'émission, l'efficacité de conversion et la puissance de sortie est analysée par une étude systématique des dimensions du guide d'onde et de la puissance de pompage. Les résultats expérimentaux confirment la faisabilité de la génération de lasers dans l'ultraviolet lointain et apportent un soutien théorique à la production en masse de produits compacts, qui ont un grand potentiel pour des applications dans la désinfection de la sécurité humaine, la communication en espace libre sans ligne de visée et la spectroscopie Raman dans l'ultraviolet lointain.
Défis et inconvénients
Toutefois, des coefficients optiques non linéaires plus importants peuvent présenter certains défis et inconvénients, tels qu'une réponse optique non linéaire plus importante peut entraîner une augmentation des pertes optiques dans le matériau, réduisant ainsi l'efficacité du dispositif. Dans certains cas, des coefficients optiques non linéaires plus importants peuvent entraîner des effets de saturation optique qui limitent la gamme dynamique et les performances du dispositif. En outre, certains matériaux peuvent présenter des performances médiocres en termes de stabilité et de durabilité en raison d'une réponse optique non linéaire importante. Dans de tels scénarios d'application, le BIBO est un choix plus approprié que le BBO, dont les coefficients optiques non linéaires modérés et l'excellente stabilité lui permettent de répondre à une certaine gamme d'applications avec des exigences de stabilité plus élevées.
6 Processus de préparation du BBO et du BIBO
6.1 Processus de préparation du BBO
Une méthode de croissance du BBO utilise Ba(OH)2-8H2O et H3BO3 avec un rapport molaire de 2:3 pour l'agitation et le mélange, l'ajout d'un flux au processus de mélange pour la réaction, le séchage à 200-250°C une fois la réaction terminée, et le frittage à 500°C-600°C pendant 4-5 heures pour obtenir des cristaux de phase à basse température de BBO. Une fois la réaction terminée, le produit est séché à 200-250°C, puis fritté à 500-600°C pendant 4-5 heures pour obtenir des cristaux de BBO en phase basse température. Ce procédé adopte la méthode de la réaction à l'état solide à basse température, en utilisant l'hydroxyde de baryum et l'acide borique comme matières premières, sans autres étapes fastidieuses, le procédé est simple ; il améliore la convection sous le cristal, réduisant ainsi le taux de défauts.
6.2 Processus de préparation du BIBO-TSSG
Le BIBO est cultivé par la méthode du cristal de semence supérieur (TSSG), où la matière fondue est extrêmement visqueuse, semblable à la solution dans laquelle le verre est formé, et l'utilisation de la TSSG permet aux cristaux de croître à partir de la matière fondue de borate très visqueuse. Des quantités stœchiométriques équivalentes de Bi2O3 et de B2O3 ont été utilisées pour fondre dans un creuset en platine à une température constante de 900 °C après un broyage minutieux et une homogénéité, et un fil de platine a été utilisé pour la croissance induite de cristaux, avec nucléation spontanée à proximité du fil de platine plus froid pour former des polycristaux qui ont été utilisés comme cristaux de semence pour la croissance.
Pour générer un cristal unique, la croissance forcée du cristal de semence est utilisée, et le cristal transparent Bi2B8O15 est choisi comme cristal de semence pour obtenir des polycristaux de BiB3O6 et une petite quantité de Bi2B8O15 en dessous du point de saturation. On sélectionne ensuite le BiB3O6 pour l'élimination de la croissance multiple afin d'obtenir des cristaux uniques. Le phénomène de croissance polaire des cristaux de BiB3O6 est plus grave. Pour obtenir des cristaux de grande taille, moins de défauts et une utilisation élevée des cristaux uniques, il est nécessaire d'utiliser la croissance directionnelle.
Pendant le processus de croissance cristalline, la vitesse de rotation du cristal de semence est généralement de 3~5r/min, et le taux de refroidissement est de 0,1~1℃/d, avec un refroidissement total ne dépassant pas 3~4℃ pour éviter la génération de cristaux parasites. Les cristaux sont retirés de la page à la fin de la croissance cristalline et ramenés à la température ambiante à une vitesse de 15~25°C/h. Il faut veiller à ce que la vitesse de refroidissement ne soit pas trop lente pour que la matière fondue devienne rapidement vitreuse et pour éviter que la matière fondue cristalline en expansion ne s'enroule autour des cristaux.
Conclusion
Le BBO et le BIBO ont des propriétés optiques non linéaires dues à leur structure cristalline, qui peuvent être utilisées dans les lasers, les dispositifs électro-optiques, ainsi que dans d'autres dispositifs de conversion optique. Le BBO a un coefficient optique non linéaire plus important, ce qui peut effectivement améliorer le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée du dispositif, réduire les exigences en matière de puissance d'entrée du dispositif optique et étendre le champ d'application du matériau ; tandis que le BIBO a un coefficient optique non linéaire plus modéré et une plus grande stabilité du coefficient de température variable, ce qui peut effectivement éviter la perte optique causée par le matériau, et en même temps, la plage dynamique du dispositif et la performance du dispositif sont moins restreintes, et la stabilité et la durabilité sont également plus élevées.
Dans le processus de préparation, la méthode du cristal de semence supérieur est utilisée pour la croissance, et le processus du BBO est plus simple que celui du BIBO, avec des exigences légèrement inférieures pour le processus. Le choix doit être basé sur le scénario dans lequel il sera utilisé, l'efficacité opérationnelle, la stabilité et la sécurité, et le coût global. Vous pouvez consulter les professionnels de SAM pour obtenir des conseils et une assistance dans le processus de sélection.
Lecture connexe :
Autres articles dans Optique :
Grenat d'aluminium et d'yttrium dopé à l'ytterbium
Référence :
[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.
