De la estructura a la aplicación: ¿Es BIBO o BBO el mejor cristal?
1 Resumen
Los cristales deborato de beta-bario (BBO) y triborato de bismuto (BIBO ) son cristales que duplican la frecuencia. Se caracterizan por una buena transparencia en los rangos visible e infrarrojo cercano y por sus propiedades ópticas no lineales, que han llevado a su uso generalizado en aplicaciones ópticas no lineales. Debido a los diferentes coeficientes ópticos no lineales del BBO y el BIBO, también se utilizan en diferentes escenarios de aplicación.
El BBO tiene un gran coeficiente óptico no lineal, en los escenarios de aplicación de duplicación de frecuencias ópticas, suma y generación de frecuencias diferenciales, su gran coeficiente óptico no lineal puede mejorar la eficiencia, y la conversión efectiva, y producir señales de salida más fuertes bajo la misma potencia de entrada, reduciendo el requisito de potencia del dispositivo utilizado.
El moderado coeficiente óptico no lineal de BIBO ayuda a mitigar las pérdidas ópticas y evita las limitaciones de rendimiento debidas a los efectos de saturación óptica. Además, el coeficiente óptico no lineal del cristal de BIBO varía relativamente poco con la temperatura, lo que le permite mantener un rendimiento óptico estable en un determinado rango. Esto hace que se utilice ampliamente en moduladores ópticos, duplicadores de frecuencia láser, mediciones ópticas, etc.
En este artículo, SAM comparará los cristales BBO y BIBO desde cuatro aspectos: estructura cristalina, propiedades ópticas, escenarios de aplicación, preparación y coste, para proporcionarle una referencia para su elección.
2 Introducción al BBO y al BIBO
El borato de bario, también conocido como BaB2O4 o Ba(BO2)2, es un compuesto inorgánico. Existe tanto en forma hidratada como deshidratada, presentándose como polvo blanco o cristales incoloros. Los cristales presentan dos fases distintas: la fase α de alta temperatura y la fase β de baja temperatura. Ambas fases muestran birrefringencia, lo que convierte a la fase β del borato de bario (BBO) en un material óptico no lineal ampliamente utilizado.
El triborato de bismuto (BiB3O6, BIBO) es un cristal óptico no lineal desarrollado recientemente. Tiene un gran coeficiente óptico no lineal efectivo, un alto umbral de daño y no es susceptible a la delicuescencia. Su aspecto se presenta generalmente como cristales incoloros.
3 Estructura cristalina del BBO y el BIBO
El BBO pertenece al sistema cristalino tripartito, en el que los iones de borato de la red están dispuestos en forma triangular y los iones de bario ocupan las posiciones vacías de la misma. El BIBO pertenece al sistema cristalino monoclínico. Las propiedades químicas y estructurales de ambos se comparan en la Tabla 1.
Tabla 1 Propiedades químicas y estructurales
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Estructura cristalina |
sistema cristalino tripartito grupo de puntos espaciales R3c |
sistema cristalino monoclínico grupo de puntos espaciales C2-2 |
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Parámetros celulares |
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 |
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Punto de fusión |
~1095 ℃ |
726 ℃ |
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Dureza Mohs |
4 Mohs |
5-5,5 Mohs |
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Densidad |
3,85 g/cm3 |
5,033 g/cm3 |
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Coeficiente de expansión térmica |
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 |
Según las diferentes propiedades ópticas, los cristales pueden dividirse en dos categorías: ópticamente homogéneos (isótropos) y ópticamente heterogéneos (anisótropos). El sistema cristalino tripartito al que pertenece el BBO y el sistema cristalino monoclínico al que pertenece el BIBO pertenecen al sistema óptico heterogéneo, mientras que la estructura celular tripartita es un cristal uniaxial, con las mismas propiedades físicas en las direcciones de los ejes a y b. El sistema cristalino monoclínico es un cristal biaxial con constantes características diferentes en las tres direcciones de los ejes. Para los cristales no lineales, debido a la anisotropía, la luz o (luz refractada esférica) y la luz e (luz refractada elipsoidal) tienen diferentes índices de refracción, con el fenómeno de birrefringencia. índice de refracción de la luz e y el índice de refracción de la luz o con la temperatura de la diferente velocidad del cambio, lo que hace que la interacción de la onda de luz en el medio participan en la propagación de las ondas de luz hay la misma velocidad de la posibilidad de realizar el cambio de frecuencia efectiva. Por lo tanto, tanto BBO y BIBO tienen propiedades ópticas no lineales.
4 Propiedades ópticas de BBO y BIBO
4.1 Propiedades ópticas no lineales del BBO y el BIBO
La simetría no central inherente a las estructuras cristalinas del BBO y el BIBO impide que se adhieran a las condiciones clásicas de simetría central, por lo que presentan efectos ópticos no lineales. En consecuencia, los átomos o moléculas de estos cristales responden de forma no lineal al campo luminoso, lo que da lugar a variaciones en la velocidad de polarización correspondientes a cambios en la intensidad del campo luminoso. Es esta tasa de polarización no lineal la que genera las propiedades ópticas no lineales únicas del BBO y el BIBO, caracterizadas por grandes coeficientes ópticos no lineales y que facilitan sus aplicaciones distintivas.
Nota: (a): Diagrama de proyección de la célula en dirección c; (b): Diagrama de proyección de la célula en dirección a tetraedros, triángulos, átomos grandes y pequeños denotan grupos aniónicos, [BO4]5-, [BO3]3-, átomos, Bi y O, respectivamente [1].
BBO y BIBO tienen algunas diferencias en sus propiedades ópticas, principalmente en su coeficiente óptico no lineal y diferencias de transparencia. En términos de coeficiente óptico no lineal, el BBO tiene un coeficiente óptico no lineal mayor en un espectro óptico más amplio, lo que resulta adecuado para una gran variedad de aplicaciones ópticas no lineales, como la duplicación de frecuencias, la generación de diferencias sumatorias, etc. El BIBO también tiene buenas propiedades ópticas no lineales, y su coeficiente óptico no lineal suele ser algo inferior al del BBO, pero puede ser incluso mejor en un rango específico de longitudes de onda. En términos de transparencia, el BBO tiene una buena transparencia en los rangos visible e infrarrojo cercano, mientras que el BIBO es ligeramente menos transparente que el BBO, especialmente en el rango visible.
Sin embargo, en comparación con otros cristales ópticos no lineales, los cristales de BIBO presentan una notable tolerancia a las pérdidas ópticas y poseen una amplia gama espectral transparente. Además, los coeficientes ópticos no lineales de los cristales de BIBO muestran una variación mínima con la temperatura, lo que les permite mantener propiedades ópticas estables dentro de un determinado rango.
Tabla 2 Propiedades ópticas y ópticas no lineales
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Banda de transmisión |
190-3500 nm |
286-2500 nm |
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Coeficiente de absorción |
<0,1%/cm@1064 nm <1%/cm@532 nm |
<0,1%/cm@1064 nm |
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1064/532 nm |
Relación |
2,7 pm/V |
3,0±0,1 pm/V |
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Ángulo de recepción |
0,8mrad-cm (θ, TipoⅠ, 1064 SHG) 1,27 mard-cm (θ, TipoⅡ, 1064 SHG) |
2,32 mard-cm |
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Ángulo de salida |
2,7° (TipoⅠ, 1064 SHG) 3,2° (TipoⅡ, 1064 SHG) |
25,6 mrad |
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Ancho de banda de temperatura |
55 ℃-cm |
2,17 ℃-cm |
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Ecuación 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 |
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4.2 Introducción a los coeficientes ópticos no lineales
El coeficiente óptico no lineal es una magnitud física fundamental que caracteriza cómo responde un material óptico no lineal a la intensidad de la luz. En óptica no lineal, la respuesta del material a la luz no es únicamente proporcional a la intensidad, sino que también depende de potencias superiores de la intensidad. Los coeficientes ópticos no lineales sirven para medir la intensidad de esta respuesta no lineal. Sus valores dependen de varios factores, entre ellos las propiedades del material, como la simetría del cristal, la polarización del campo eléctrico y la estructura molecular. Por ejemplo, los cristales con simetría no central suelen presentar coeficientes ópticos no lineales mayores debido a su singular disposición molecular. Además, la frecuencia y la intensidad de la luz incidente también desempeñan un papel crucial en la determinación de la respuesta del material. Una mayor frecuencia o intensidad de la luz puede inducir efectos no lineales más intensos. En general, la comprensión de los coeficientes ópticos no lineales permite comprender cómo interactúan los materiales con la luz y diseñar dispositivos ópticos no lineales eficientes.
4.3 Factores que influyen en los coeficientes ópticos no lineales
La magnitud del coeficiente óptico no lineal afecta directamente a la eficiencia y el rendimiento de un material en aplicaciones ópticas no lineales. Por ejemplo, en los multiplicadores de frecuencia, cuanto mayor sea el coeficiente óptico no lineal, más eficazmente multiplicará el material la frecuencia de la luz incidente a la frecuencia deseada. Del mismo modo, en un modulador óptico, la magnitud del coeficiente óptico no lineal afectará a la profundidad de modulación y a la velocidad de respuesta del modulador.
5 Escenarios de aplicación de BBO y BIBO
5.1 Avances en la investigación óptica
El BBO tiene un coeficiente óptico no lineal mayor que el BIBO, lo que le confiere una ventaja en determinadas aplicaciones. En algunas aplicaciones ópticas no lineales, como la duplicación de frecuencias, la suma y la generación de frecuencias diferenciales, un coeficiente óptico no lineal mayor puede mejorar la eficiencia del dispositivo óptico, haciéndolo más eficaz para lograr la conversión óptica deseada. Al mismo tiempo, los coeficientes ópticos no lineales mayores pueden producir una señal de salida más potente con la misma potencia de entrada, reduciendo así los requisitos de potencia de la óptica. Además, algunas aplicaciones específicas requieren efectos ópticos no lineales mayores, por lo que los coeficientes ópticos no lineales mayores pueden ampliar la gama de aplicaciones para las que se puede utilizar el material.
En el campo de la investigación óptica, Stanton EJ et al [2] lograron la correspondencia de fase Cherenkov en una interfaz enlazada formada por cristales no lineales de SiN y BBO. La correlación entre el ángulo de emisión, la eficiencia de conversión y la potencia de salida se analiza mediante un estudio sistemático de las dimensiones de la guía de ondas y la potencia de bombeo. Los resultados experimentales confirman la viabilidad de la generación de láseres en el ultravioleta lejano y proporcionan apoyo teórico para la producción en masa de productos compactos, que tienen un gran potencial para aplicaciones en la desinfección de la seguridad humana, la comunicación en espacio libre sin línea de vista y la espectroscopia Raman en el ultravioleta profundo.
Retos e inconvenientes
Sin embargo, los coeficientes ópticos no lineales mayores pueden presentar algunos retos e inconvenientes, como que una respuesta óptica no lineal mayor puede provocar un aumento de las pérdidas ópticas en el material, reduciendo la eficiencia del dispositivo. En algunos casos, unos coeficientes ópticos no lineales mayores pueden provocar efectos de saturación óptica que limiten el rango dinámico y el rendimiento del dispositivo. Además, algunos materiales pueden tener un rendimiento deficiente en términos de estabilidad y durabilidad debido a su gran respuesta óptica no lineal. En tales escenarios de aplicación, el BIBO es una opción más adecuada que el BBO, cuyos coeficientes ópticos no lineales moderados y excelente estabilidad le permiten asumir una cierta gama de aplicaciones con mayores requisitos de estabilidad.
6 Proceso de preparación de BBO y BIBO
6.1 Proceso de preparación del BBO
Un método de crecimiento de BBO utiliza Ba(OH)2-8H2O y H3BO3 con una proporción molar de 2:3 para agitar y mezclar, añadiendo un fundente al proceso de mezcla para la reacción, secando a 200-250°C una vez completada la reacción, y sinterizando a 500°C-600°C durante 4-5 horas para obtener cristales de BBO de fase de baja temperatura. Una vez finalizada la reacción, se seca a 200-250°C y se sinteriza a 500°C-600°C durante 4-5 horas para obtener cristales de BBO en fase de baja temperatura. Este proceso adopta el método de reacción en estado sólido a baja temperatura, utilizando hidróxido de bario y ácido bórico como materias primas, sin otros pasos engorrosos, el proceso es sencillo; mejora la convección bajo el cristal, reduciendo la tasa de defectos.
6.2 Proceso de preparación de BIBO-TSSG
El BIBO se cultiva por el método del cristal semilla superior (TSSG), en el que la masa fundida es extremadamente viscosa, similar a la solución en la que se forma el vidrio, y el uso del TSSG permite que los cristales crezcan a partir de la masa fundida de borato altamente viscosa. Se utilizaron cantidades estequiométricas equivalentes de Bi2O3 y B2O3 para fundir en un crisol de platino a una temperatura constante de 900 °C después de una molienda minuciosa y homogeneidad, y se utilizó un alambre de platino para el crecimiento inducido de cristales, con nucleación espontánea en las proximidades del alambre de platino más frío para formar policristales que se utilizaron como cristales semilla para el crecimiento.
Como la densidad del B2O3 es mucho menor que la del Bi2O3, se acumula en la superficie del líquido en la masa fundida, y la reacción no es suficiente, por lo que el cristal generado es Bi2B8O15.Para generar un solo cristal, se utiliza el crecimiento forzado de cristales semilla, y se elige Bi2B8O15 transparente como cristal semilla para obtener policristales de BiB3O6 y una pequeña cantidad de Bi2B8O15 por debajo del punto de saturación. A continuación, se selecciona el BiB3O6 para eliminar el crecimiento múltiple y obtener monocristales. El fenómeno de crecimiento polar de los cristales de BiB3O6 es más grave, para generar un tamaño grande, menos defectos y un alto aprovechamiento de los monocristales, es necesario utilizar el crecimiento direccional.
Durante el proceso de crecimiento de los cristales, la velocidad de rotación del cristal semilla es generalmente de 3~5r/min, y la tasa de enfriamiento es de 0,1~1℃/d, con un enfriamiento total no superior a 3~4℃ para evitar la generación de cristales parásitos. Los cristales se levantan de la página al final del crecimiento cristalino y se reducen a temperatura ambiente a una velocidad de 15~25°C/h. Se debe tener cuidado de que la velocidad de enfriamiento no sea demasiado lenta para que la masa fundida se vuelva rápidamente vítrea; y para evitar el desbordamiento de masa fundida en expansión cristalina que envuelve los cristales.
Conclusión
El BBO y el BIBO tienen propiedades ópticas no lineales debido a su estructura cristalina, que pueden utilizarse en láseres, dispositivos electroópticos y otros dispositivos de conversión óptica. El BBO tiene un coeficiente óptico no lineal mayor, lo que puede mejorar eficazmente la relación entre la potencia de salida y la de entrada del dispositivo, reducir los requisitos de potencia de entrada del dispositivo óptico y ampliar el ámbito de aplicación del material; mientras que el BIBO tiene un coeficiente óptico no lineal más moderado y una mayor estabilidad del coeficiente de temperatura variable, lo que puede evitar eficazmente la pérdida óptica causada por el material y, al mismo tiempo, el rango dinámico del dispositivo y el rendimiento del dispositivo están menos restringidos, y la estabilidad y la durabilidad también son mayores.
En el proceso de preparación, se utiliza el método de cristal semilla superior para el crecimiento, y el proceso de BBO es más sencillo que el de BIBO, con unos requisitos ligeramente inferiores para el proceso. La elección debe basarse en el escenario en el que se va a utilizar, la eficiencia operativa, la estabilidad y seguridad, y el coste global. Puede consultar a los profesionales de SAM para que le asesoren y ayuden en el proceso de selección.
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Referencia:
[1] Zi-fang J, Jing-lin Y, Patrick S, et al. [Estudio de la microestructura del cristal de triborato de bismuto y su fundido a alta temperatura mediante espectroscopia Raman]. [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.
