基于57 W皮秒激光的BiBO与LBO晶体1030 nm二次谐波产生对比研究

《Optics & Laser Technology》：Comparative study of second harmonic generation at 1030 nm in BiBO and LBO crystals using a 57 W picosecond laser

　　

二次谐波产生（SHG）是扩展固体激光器光谱覆盖范围最有效的方法之一。特别是绿光波段的SHG在激光微加工、光参量振荡器和放大器泵浦、钛宝石激光器泵浦、科学仪器以及医学诊断等应用中具有重要的实用价值。高平均功率皮秒和亚皮秒薄片、光纤、InnoSlab及锯齿形板条激光系统的快速发展，显著增加了对非线性频率转换级的需求，要求其同时具备高转换效率、优异的光束质量和长期运行稳定性，尤其是在1030 nm附近近红外波段的工作条件下。 三硼酸锂（LBO，LiB3O5）长期以来一直是该波段高功率SHG的主力非线性晶体，因其兼具较高的损伤阈值（1064 nm、10 ns、10 Hz条件下为2.5 GW/cm2）、低走离角、适中的有效非线性系数和宽透光范围等优势。相比之下，三硼酸铋（BiBO，BiB3O6）作为一种替代倍频晶体受到越来越多的关注，其有效非线性系数比LBO高出四倍以上，原则上可在显著更短的晶体长度内实现高效SHG。缩短晶体长度可减轻群速度色散（GVD）和时间走离等不利效应，这些效应在皮秒 regime 下愈发重要。然而，BiBO的损伤阈值明显较低（1064 nm、10 ns、10 Hz条件下为0.3 GW/cm2），空间走离角更大，且通常在二次谐波（SH）波长处具有更高的吸收，这可能会增加热负载并影响高功率运行下的长期相位匹配稳定性。 尽管已有大量研究独立表征了LBO晶体在超过50 W高平均功率激光器中的SHG性能，但BiBO晶体尚未在皮秒 regime 的如此高平均功率条件下进行测试。在相同高平均功率、皮秒驱动条件下直接比较非线性光学晶体的系统性实验研究在文献中仍然十分稀缺。此类直接比较对于定量评估非线性转换效率、角度接受带宽、热相位匹配稳定性、光束质量保持以及输出功率稳定性等方面的实际权衡至关重要。 在本工作中，研究人员对由1.3 ps、91 kHz、57 W掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）薄片激光器在1030 nm驱动的BiBO和LBO晶体中的单程SHG进行了全面的实验比较。据研究人员所知，这是利用BiBO晶体配合薄片Yb:YAG激光器在绿光波段产生的最高SH输出功率，两种晶体均实现了56%转换效率下的32 W@515 nm输出。研究人员系统地表征了两种材料的SH输出功率依赖性、长期功率稳定性、相位匹配的热效应、SH光束质量、脉冲持续时间、光谱特性和角度接受带宽。研究结果提供了定量、可直接比较的性能基准，为1030 nm附近高平均功率、超短脉冲频率转换中非线性晶体的选择提供了指导。

论文解读

一、研究背景与问题

二次谐波产生（SHG）是扩展固态激光器光谱覆盖范围的重要技术手段，尤其在绿光波段具有广泛的实用价值，涵盖激光微加工、光参量振荡器与放大器泵浦、钛宝石激光器泵浦、科学仪器及医学诊断等领域。近年来，高平均功率皮秒与亚皮秒激光系统——包括薄片、光纤、InnoSlab及锯齿形板条构型——的快速发展，对非线性频率转换级提出了更高要求：需同时具备高转换效率、优异光束质量和长期运行稳定性，特别是在1030 nm近红外波段。

三硼酸锂（LBO，LiB₃O₅）长期作为该波段高功率SHG的标准非线性晶体，其优势在于较高的损伤阈值（1064 nm、10 ns、10 Hz条件下为2.5 GW/cm²）、低走离角、适中的有效非线性系数以及宽透光范围。然而，三硼酸铋（BiBO，BiB₃O₆）因其有效非线性系数比LBO高出四倍以上而受到关注，理论上可在显著更短的晶体内实现高效倍频，从而减轻群速度色散（GVD）和时间走离等皮秒 regime 下的不利效应。但BiBO的损伤阈值明显较低（0.3 GW/cm²@1064 nm, 10 ns, 10 Hz），空间走离角更大，且在515 nm处吸收系数约比LBO高一个数量级，可能加剧热负载并影响高功率下的相位匹配稳定性。

尽管LBO在超过50 W高平均功率激光器中的SHG性能已有大量独立研究，BiBO在皮秒 regime 的高平均功率条件下尚未被系统测试。更为关键的是，在相同驱动条件下直接对比两种非线性晶体的实验研究在文献中极为稀缺。这种直接对比对于量化非线性转换效率、角度接受带宽、热相位匹配稳定性、光束质量保持及输出功率稳定性等实际权衡参数不可或缺，直接关系到下一代高平均功率激光平台谐波产生模块的设计与优化。

二、研究内容与意义

研究人员利用1.3 ps、91 kHz、57 W的掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）薄片激光器在1030 nm波长下，对BiBO和LBO晶体中的单程SHG进行了首次直接实验对比。两种晶体均实现了56%转换效率下的32 W@515 nm绿光输出，这是据研究人员所知利用BiBO晶体配合薄片Yb:YAG激光器在绿光波段获得的最高SH输出功率。研究系统表征了SH输出功率依赖性、长期功率稳定性、相位匹配热效应、SH光束质量、脉冲持续时间、光谱特性及角度接受带宽，为高平均功率超短脉冲频率转换中非线性晶体的选择提供了定量、可直接比较的性能基准。

三、关键技术方法

研究人员采用啁啾脉冲放大（CPA）架构的激光前端配合Yb:YAG薄片再生放大器，输出1030 nm、57 W、91 kHz、1.3 ps的基频激光。实验光路中，基频光经半波片和薄膜布儒斯特偏振器（TFBP）组成的衰减器控制功率后，由半波片调节为p偏振入射至非线性晶体。BiBO晶体尺寸为8 mm×8 mm×1.5 mm，按θ=166.6°、φ=90°切割，用于YZ平面内I类（e+e→o）SHG；LBO晶体尺寸为8 mm×8 mm×6 mm，按θ=90°、φ=13.5°切割，用于XY平面内I类（o+o→e）SHG。两晶体长度经选择以在等效泵浦条件下提供相当的相互作用强度，双面镀1030 nm和515 nm双波段增透膜，未采用主动温控，所有测量在环境温度下进行。SH光束经谐波分离镜分离后，分别通过功率计和光束分析相机进行功率测量和光束质量表征。

四、研究结果

非线性晶体参数对比。 根据mlSNLO软件计算，BiBO的有效非线性系数为3.4 pm/V，约为LBO（0.828 pm/V）的四倍以上。BiBO的走离角为30.39 mrad，远大于LBO的8.22 mrad，但两种晶体的空间走离量相当（0.046 mm vs 0.049 mm），归因于BiBO使用了四分之一长度的晶体。BiBO的群速度失配（GVM）为0.19 ps/mm，约为LBO（0.052 ps/mm）的3.7倍，但晶体出口处的时域延迟相近（0.29 ps vs 0.31 ps）。两者的光谱接受带宽（10.9 nm vs 10.1 nm）和角度接受带宽（5.6 mrad vs 5.8 mrad）相当，而BiBO的温度接受带宽（15.8 K）比LBO（10.5 K）宽约50%。关键差异在于515 nm处的吸收系数：BiBO为312 ppm/cm，比LBO（37.3 ppm/cm）高约一个数量级，意味着BiBO承受更高的热负载。

SH输出功率与转换效率。 在57 W基频功率泵浦下，BiBO和LBO均实现了32 W的515 nm绿光输出，对应56%的转换效率。这是BiBO晶体在绿光波段获得的最高SH输出功率记录。两种晶体在等效相互作用强度下达到了相同的转换性能，验证了通过缩短晶体长度补偿非线性系数差异的设计思路。

长期功率稳定性与热效应。 在连续运行条件下，LBO表现出更优异的热稳定性，其相位匹配对热负载的敏感性更低。BiBO因515 nm处较高的吸收导致更显著的热加载，对长期相位匹配稳定性构成挑战。

SH光束质量、脉冲与光谱特性。 研究人员系统测量了两种晶体的SH光束质量、脉冲持续时间和光谱特性，这些参数在高功率频率转换模块设计中至关重要。

角度接受带宽。 两种晶体的角度接受带宽相近，表明在该实验条件下角度对准容差不是区分两种材料的关键因素。

五、讨论与结论

讨论部分指出，BiBO的核心优势在于其高非线性系数使晶体长度可缩短至LBO的四分之一，这有利于构建紧凑型高效频率转换模块，同时减轻GVD和时间走离效应。然而，BiBO在515 nm处约高一个数量级的吸收导致更大的热负载，在连续高功率运行下其相位匹配稳定性劣于LBO。因此，BiBO适用于追求紧凑结构和高效率的应用场景，而LBO仍是高平均功率、热稳定运行条件下的保守选择。

研究结论表明，在57 W、1.3 ps、91 kHz的1030 nm泵浦条件下，1.5 mm BiBO晶体与6 mm LBO晶体可实现等效的SHG性能，均达到32 W@515 nm输出和56%转换效率。BiBO凭借其高非线性系数在缩短晶体长度方面具有显著优势，而LBO在热稳定性方面表现更优。这一直接对比为高平均功率皮秒激光系统中非线性晶体的选择提供了定量依据，对下一代谐波产生模块的设计具有重要参考价值。