久而弥坚的激光频率转换高手（久而弥坚的激光频率转换高手）

久而弥坚的激光频率转换高手（久而弥坚的激光频率转换高手）晶体生长20世纪90年代，福建物质结构研究所成立了福建晶体技术开发公司（福建福晶科技股份有限公司前身），对LBO、BBO晶体进行商业化运作，大批量提供LBO、BBO晶体器件，尤其在LBO晶体三倍频应用市场方面，福晶科技在国际上占有明显优势地位，市场占有率达到80%以上。图1 陈创天教授研究团队部分成员这些被誉为“中国牌”晶体的发明，奠定了中国在非线性光学晶体材料领域的领先地位，也促进了全固态激光技术的迅猛发展。其中的LBO晶体，可以高效地对Nd基激光系统进行二倍频、三倍频，也可用于光学参量啁啾放大，输出高功率短脉冲激光。特别是它的激光损伤阈值，在λ=1.053 µm，脉宽=1.3 ns的测试条件下，其值可达到24.6 J/cm2，是目前已知的倍频转化晶体材料中最高的[2]。从目前应用来看，它最多的是用在对1064 nm的基频光变频到532 nm或355 nm，由于它的综合性能优异，至今在这

文 / 陈伟、朱一村、吴先云、陈秋华、蒋莉莉，福建福晶科技股份有限公司

引言

固体激光器由于其体积小、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、运转灵便等优点，受到了激光界的青睐。在它面世之前，其它类型的激光器很难将红外光直接高效地倍频到可见光及更短的紫外光波段。

20世纪70年代，福建物质结构研究所的陈创天教授提出了非常著名的阴离子基团理论，该理论大概意思是说，非线性光学效应是一种局域化的效应，是组成晶体的基本单元——阴离子基团的微观系数的几何迭加，阴离子基团的微观倍频系数可以通过阴离子基团的局域化、量子化学轨道理论，通过二级微扰理论算出[1]。根据这个理论，陈创天教授领衔的研究团队如图1，相继发明了BBO（β-BaB2O4）晶体、LBO（LiB3O5）晶体、KBBF（KBe2BO3F2）晶体等。

图1 陈创天教授研究团队部分成员

这些被誉为“中国牌”晶体的发明，奠定了中国在非线性光学晶体材料领域的领先地位，也促进了全固态激光技术的迅猛发展。其中的LBO晶体，可以高效地对Nd基激光系统进行二倍频、三倍频，也可用于光学参量啁啾放大，输出高功率短脉冲激光。特别是它的激光损伤阈值，在λ=1.053 µm，脉宽=1.3 ns的测试条件下，其值可达到24.6 J/cm2，是目前已知的倍频转化晶体材料中最高的[2]。

从目前应用来看，它最多的是用在对1064 nm的基频光变频到532 nm或355 nm，由于它的综合性能优异，至今在这领域还未有其它的材料能够替代。

20世纪90年代，福建物质结构研究所成立了福建晶体技术开发公司（福建福晶科技股份有限公司前身），对LBO、BBO晶体进行商业化运作，大批量提供LBO、BBO晶体器件，尤其在LBO晶体三倍频应用市场方面，福晶科技在国际上占有明显优势地位，市场占有率达到80%以上。

晶体生长

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LBO晶体的结构

LBO晶体空间结构示意图如图2所示。

图2 LBO晶体空间结构示意图

晶体结构中存在着（B3O7）硼氧阴离子基团，Li原子分布在基团骨架间隙中，这些（B3O7）基团互相联结，沿c轴方向形成螺旋结构，每个螺旋结构又通过硼氧桥键互相联结，构成整个晶体。每个（B3O7）基团中，有2个硼原子是三配位（BO3） 而另外1个硼原子是四配位的，由于配位数不同，其键长和键角便发生变化，导致了晶体结构中电子云分布的不对称，这是LBO晶体具有优异的非线性光学性质的内在根源[1]。

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LBO晶体生长

LBO晶体在834℃左右会发生分解反应，生成2Li2O•5B2O3，因此不能用纯熔体生长方法进行晶体生长，如提拉法、下降法等，只能用助熔剂法进行晶体生长。生长LBO晶体的助熔剂比较多，有LiF、Li2O、B2O3、MoO3等。其中MoO3是一种很好的助熔剂，但单纯用MoO3，溶液会很不稳定，在晶体生长过程很容易出现杂晶、浮晶等，因此需要加入其它熔剂，即用组合熔剂进行生长。典型的生长结果如图3所示。

图3 福晶科技所生长的LBO大单晶

由于LBO晶体结构间隙很小，很少有杂质能够进入晶格，正常情况下，晶体内部质量都很好，但是由于LBO晶体是用助熔剂法生长，不可避免会有极其微细的溶液包裹进入晶体内，生长后的晶体在绿光激光的照射下，会观测到较粗的散射通道，其体吸收值可达几十到上百ppm/cm，如图4所示。用这样的晶体做成的器件，在高功率的激光照射下，晶体很容易吸收激光能量并产生大量的热，长时间工作后，晶体可能被击穿，如图5所示。因此，需要对生长工艺及助熔剂成分及含量进行调整，福晶科技经过大量的工艺改进及熔剂调整实验，最终使得LBO晶体的体吸收值低至几个ppm/cm，如图6所示。

图4 LBO晶体体吸收值为133 ppm/cm

图5 被激光击穿后的LBO晶体

图6 LBO晶体体吸收值为9.39 ppm/cm

表面加工

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LBO晶体表面抛光

LBO晶体表面光洁度的好坏，将直接影响到LBO表面膜层质量，点子、划痕甚至抛光材料的残留等，都会导致膜层质量的恶化，在高功率激光的作用下，膜层很容易被打伤。福晶在LBO晶体表面抛光工艺方面做了深入的研究，表面光洁度可以达到0/0。

LBO晶体表面面形的好坏，也将直接影响激光光斑质量。传统的LBO晶体抛光，表面面形可以做到λ/10@632.8 nm，见图7a，要得到更高的面形精度，需要采用离子束抛光设备。离子束加工（Ion Beam Figuring IBF）是近30年来用在光学镜面加工中的一种计算机控制光学表面成形（Computer Control Optical Surfacing，CCOS）方法[3]。

它是一种非接触加工方式，不存在其它加工方法中的工具磨损、边缘效应、工件负载应力等一系列问题[4]，亦不存在磁流变加工中要求抛光模与镜面法向间隙精度很高的问题[5]，它是一种高精度、确定性强的非接触式加工方法，由于离子束加工时对材料的去除是原子量级的，所以说离子束加工是高精度的加工方法[6]。

福晶科技在LBO晶体常规抛光情况下，利用IBF软件模拟精确控制离子束在特定区域的驻留时间，从而采用离子束无接触地将LBO晶体表面面形修复到极致，测试极限与加工极限的有机结合，使得表面面形优于λ/20@632.8 nm，见图7b，在φ9 mm区域将LBO晶体表面面形从0.086λ修到0.049λ，满足设计要求。

图7 LBO晶体表面修前面形（左），LBO晶体表面修后面形（右）

另外，离子束抛光还可以根据LBO晶体的综合应用直接修其透射波前，这样可以避免LBO晶体内部质量的影响。

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LBO晶体表面镀膜

光学薄膜是指用物理或化学方法沉积在玻璃或者晶体表面上的膜层，主要用于改变光在光学元件表面的特性，获得所需要的反射率或者透过率等。几乎所有的光学系统、光电系统或光电仪器都离不开光学薄膜的应用，而且也没有发现有别的技术可以取代光学薄膜[7]。

LBO晶体作为固体激光器的核心光学元件，其薄膜质量极大影响激光器的性能指标，甚至成为激光器向更高功率发展的瓶颈。LBO单个未镀膜的通光面，在基频光波段，其反射损耗超过5.3%，因此要求在LBO晶体的两个通光面镀制增透膜，尽量减少反射损耗。

福晶科技LBO薄膜，基频光波段剩余反射率低于0.05%，同时在倍频光波段剩余反射率低于0.1%。又因通光面要承受高能量密度激光辐照，因此要求薄膜具有低吸收，避免因吸收激光产生温升而导致膜层出现损伤，福晶科技LBO薄膜，吸收低至30 ppm以下。

薄膜在制备的过程中，包括基片清洗、装炉及薄膜沉积等过程，要严格控制薄膜的各类缺陷，特别是划痕和节瘤类缺陷的产生，福晶科技LBO薄膜，在中心区域，按照美军标MIL-PRF-13830B标准，膜层质量S/D可以达到0/0标准。

LBO薄膜的膜系结构设计也是非常重要。首先要选择高损伤阈值的靶材，比如HfO2和SiO2进行搭配使用，其次要优化膜系结构设计，电场强度分布合理，有足够的光谱容差。

福晶科技采用双离子束溅射（DIBS）镀制LBO薄膜。如图8所示，在一定的真空度和温度条件下，主离子源（右）产生的离子束溅射靶材（左），从靶材中被溅射出来的膜料沉积在基底（下）的表面形成光学薄膜，同时使用另外一个辅助离子源（上）产生的离子束进行辅助沉积。利用DIBS技术能够在LBO基底上获得高致密、高光滑、低缺陷、低光学损耗和高激光损伤阈值的光学薄膜。

图8 离子束溅射镀制LBO薄膜示意图

结束语

从20世纪80年代发明起到现在，LBO晶体以其优异的紫外非线性光学性能，在紫外频率转化领域大显身手，经久不衰，为固体激光器的发展做出了巨大的贡献。而福晶科技也在LBO晶体的生长及加工方面不断进行研发投入，追求极致，以高品质、优服务牢牢占据着国际及国内市场的主导地位。随着下游激光应用领域的不断拓展，LBO晶体也必将迎来一个全新的发展。

参考文献：

[1]陈崇斌.“中国牌”晶体的探索历程—陈创天院士访谈录.中国科技史杂志，2001年，第32卷（1）：83-94.

[2]张克从，王希敏.非线性光学晶体材料科学.北京：科学出版社，2005年.

[3]WILSON S R MCNEIL J R. Neutral ion beam figuring of large optical surfaces [J]. SPIE 1987 818:320-324.

[4]倪颖 李建强 王毅 等.一种高效率小口径非球面数控抛光方法[J].光学技术.2008 (1):33-35.

[5]张峰，余景池，张学军．磁流变抛光技术[J].光学精密工程， 1999，7（5）：1-7.

[6]周林，戴一帆，解旭辉，等. 光学镜面离子束加工的可达性.光学精密工程，2007，15（2）：160-166.

[7]唐晋发，顾培夫，刘旭，李海峰.现代光学薄膜技术.2006年，第一版.

作者简介

陈伟，福建福晶科技股份有限公司研发总监，主要从事晶体材料的生长及工艺研究。

朱一村，福建福晶科技股份有限公司光学工程部经理，主要从事光学材料表面的加工和测试研究。

吴先云，福建福晶科技股份有限公司镀膜中心经理，主要从事材料表面的镀膜工艺及膜性能表征研究。

陈秋华，福建福晶科技股份有限公司总经理，主要从事材料结构设计、测试研究。

蒋莉莉，福建福晶科技股份有限公司品管部经理，主要从事材料性能测试研究。