Da estrutura à aplicação: BIBO ou BBO é o melhor cristal?

1 Resumo

Os cristais de boratode beta-bário (BBO) e de triborato de bismuto (BIBO) são cristais de duplicação de frequência. Eles são caracterizados pela boa transparência nas faixas do visível e do infravermelho próximo e por suas propriedades ópticas não lineares, o que levou ao seu uso generalizado em aplicações ópticas não lineares. Devido aos diferentes coeficientes ópticos não lineares do BBO e do BIBO, eles também são usados em diferentes cenários de aplicação.

O BBO tem um grande coeficiente óptico não linear. Nos cenários de aplicação de duplicação de frequência óptica, soma e geração de frequência diferencial, seu grande coeficiente óptico não linear pode melhorar a eficiência e a conversão efetiva e produzir sinais de saída mais fortes com a mesma potência de entrada, reduzindo a necessidade de energia do dispositivo usado.

O coeficiente óptico não linear moderado do BIBO ajuda a reduzir as perdas ópticas e evita limitações de desempenho devido aos efeitos de saturação óptica. Além disso, o coeficiente óptico não linear do cristal BIBO varia relativamente pouco com a temperatura, o que permite que ele mantenha um desempenho óptico estável em uma determinada faixa. Isso faz com que ele seja amplamente usado em moduladores ópticos, duplicadores de frequência de laser, medições ópticas, etc.

Neste artigo, a SAM comparará os cristais BBO e BIBO em quatro aspectos: estrutura cristalina, propriedades ópticas, cenários de aplicação, preparação e custo, para fornecer uma referência para sua escolha.

2 Introdução ao BBO e ao BIBO

O borato de bário, também conhecido como BaB2O4 ou Ba(BO2)2, é um composto inorgânico. Ele existe nas formas hidratada e desidratada, apresentando-se como um pó branco ou cristais incolores. Os cristais exibem duas fases distintas: a fase α de alta temperatura e a fase β de baixa temperatura. Ambas as fases demonstram birrefringência, tornando o borato de bário (BBO) da fase β um material óptico não linear amplamente utilizado.

O triborato de bismuto (BiB3O6, BIBO) é um cristal óptico não linear recentemente desenvolvido. Ele tem um grande coeficiente óptico não linear efetivo, um alto limiar de dano e não é suscetível à deliquescência. Sua aparência é geralmente apresentada como cristais incolores.

3 Estrutura cristalina do BBO e do BIBO

O BBO pertence ao sistema de cristal tripartido, no qual os íons de borato na rede estão dispostos em forma triangular e os íons de bário ocupam as posições vazias. O BIBO pertence ao sistema de cristal monoclínico. As propriedades químicas e estruturais dos dois são comparadas na Tabela 1.

Tabela 1 Propriedades químicas e estruturais

De acordo com as diferentes propriedades ópticas, os cristais podem ser divididos em duas categorias: homogêneos ópticos (isotrópicos) e heterogêneos ópticos (anisotrópicos). O sistema de cristal tripartido, ao qual pertence o BBO, e o sistema de cristal monoclínico, ao qual pertence o BIBO, pertencem ao sistema óptico heterogêneo, enquanto a estrutura celular tripartida é um cristal uniaxial, com as mesmas propriedades físicas nas direções dos eixos a e b. O sistema de cristal monoclínico é um cristal biaxial com diferentes constantes características em todas as direções dos três eixos. Para cristais não lineares, por causa da anisotropia, a luz o (luz refratada esférica) e a luz e (luz refratada elipsoidal) têm índices de refração diferentes, com o fenômeno da birrefringência. O índice de refração da luz e e o índice de refração da luz o com a temperatura da velocidade diferente da mudança, o que faz com que a interação da onda de luz no meio participe da propagação das ondas de luz, há a mesma velocidade da possibilidade de realizar a mudança de frequência efetiva. Portanto, tanto o BBO quanto o BIBO têm propriedades ópticas não lineares.

4 Propriedades ópticas do BBO e do BIBO

4.1 Propriedades ópticas não lineares do BBO e do BIBO

A simetria não central inerente às estruturas cristalinas do BBO e do BIBO impede que eles sigam as condições clássicas de simetria central, exibindo, assim, efeitos ópticos não lineares. Consequentemente, os átomos ou as moléculas dentro desses cristais respondem de forma não linear ao campo de luz, levando a variações na taxa de polarização correspondentes às mudanças na intensidade do campo de luz. É essa taxa de polarização não linear que gera as propriedades ópticas não lineares exclusivas do BBO e do BIBO, caracterizadas por grandes coeficientes ópticos não lineares e que facilitam suas aplicações distintas.

Observação: (a): Diagrama de projeção da célula na direção c; (b): Diagrama de projeção da célula na direção a. Tetraedros, triângulos, átomos grandes e pequenos denotam grupos aniônicos, [BO4]5-, [BO3]3-, átomos, Bi e O, respectivamente ^[1]

O BBO e o BIBO têm algumas diferenças nas propriedades ópticas, principalmente em seu coeficiente óptico não linear e diferenças de transparência. Em termos de coeficiente óptico não linear, o BBO tem um coeficiente óptico não linear maior em um espectro óptico mais amplo, o que é adequado para uma variedade de aplicações ópticas não lineares, como duplicação de frequência, geração de diferença de soma, etc. O BIBO também tem boas propriedades ópticas não lineares, e seu coeficiente óptico não linear é geralmente um pouco menor do que o do BBO, mas pode ser ainda melhor em uma faixa específica de comprimento de onda. Em termos de transparência, o BBO tem boa transparência nas faixas do visível e do infravermelho próximo, enquanto o BIBO é um pouco menos transparente que o BBO, especialmente na faixa do visível.

Entretanto, quando comparados a outros cristais ópticos não lineares, os cristais BIBO apresentam uma tolerância notável a perdas ópticas e possuem uma ampla faixa espectral transparente. Além disso, os coeficientes ópticos não lineares dos cristais BIBO demonstram uma variação mínima com a temperatura, permitindo que eles mantenham propriedades ópticas estáveis em uma determinada faixa.

Tabela 2 Propriedades ópticas e ópticas não lineares

4.2 Introdução aos coeficientes ópticos não lineares

O coeficiente óptico não linear é uma quantidade física fundamental que caracteriza como um material óptico não linear responde à intensidade da luz. Na óptica não linear, a resposta do material à luz não é apenas proporcional à intensidade, mas também depende de potências mais altas da intensidade. Os coeficientes ópticos não lineares servem como medidas dessa força de resposta não linear. Seus valores são influenciados por vários fatores, incluindo as propriedades do material, como a simetria do cristal, a polarização do campo elétrico e a estrutura molecular. Por exemplo, os cristais com simetria não central geralmente exibem coeficientes ópticos não lineares maiores devido a seus arranjos moleculares exclusivos. Além disso, a frequência e a intensidade da luz incidente também desempenham um papel fundamental na determinação da resposta do material. Uma luz de frequência ou intensidade mais alta pode induzir efeitos não lineares mais fortes. De modo geral, a compreensão dos coeficientes ópticos não lineares fornece informações sobre como os materiais interagem com a luz e permite o projeto de dispositivos ópticos não lineares eficientes.

4.3 Fatores que influenciam os coeficientes ópticos não lineares

A magnitude do coeficiente óptico não linear afeta diretamente a eficiência e o desempenho de um material em aplicações ópticas não lineares. Por exemplo, em multiplicadores de frequência, quanto maior for o coeficiente óptico não linear, mais eficientemente o material multiplicará a frequência da luz incidente para a frequência desejada. Da mesma forma, em um modulador óptico, a magnitude do coeficiente óptico não linear afetará a profundidade da modulação e a velocidade de resposta do modulador.

5 Cenários de aplicação para BBO e BIBO

5.1 Avanços na pesquisa óptica

O BBO tem um coeficiente óptico não linear maior do que o BIBO, o que lhe dá uma vantagem em determinadas aplicações. Em algumas aplicações ópticas não lineares, como duplicação de frequência, soma e geração de frequência diferencial, um coeficiente óptico não linear maior pode melhorar a eficiência do dispositivo óptico, tornando-o mais eficaz na obtenção da conversão óptica desejada. Ao mesmo tempo, coeficientes ópticos não lineares maiores podem produzir um sinal de saída mais forte com a mesma potência de entrada, reduzindo assim os requisitos de potência da óptica. Além disso, algumas aplicações específicas exigem efeitos ópticos não lineares maiores para serem realizados, de modo que coeficientes ópticos não lineares maiores podem ampliar a gama de aplicações para as quais o material pode ser usado.

No campo da pesquisa óptica, Stanton EJ et al ^[2] obtiveram a correspondência de fase Cherenkov em uma interface ligada que consiste em cristais não lineares de SiN e BBO. A correlação entre o ângulo de emissão, a eficiência de conversão e a potência de saída é analisada por um estudo sistemático das dimensões do guia de ondas e da potência da bomba. Os resultados experimentais confirmam a viabilidade da geração de lasers ultravioleta distante e fornecem suporte teórico para a produção em massa de produtos compactos, que têm grande potencial para aplicações em desinfecção de segurança humana, comunicação espacial livre sem linha de visão e espectroscopia Raman ultravioleta profunda.

Desafios e desvantagens

Entretanto, coeficientes ópticos não lineares maiores podem apresentar alguns desafios e desvantagens, como, por exemplo, uma resposta óptica não linear maior pode levar a um aumento das perdas ópticas no material, reduzindo a eficiência do dispositivo. Em alguns casos, coeficientes ópticos não lineares maiores podem levar a efeitos de saturação óptica que limitam a faixa dinâmica e o desempenho do dispositivo. Além disso, alguns materiais podem ter um desempenho ruim em termos de estabilidade e durabilidade devido a uma grande resposta óptica não linear. Nesses cenários de aplicação, o BIBO é uma escolha mais adequada do que o BBO, cujos coeficientes ópticos não lineares moderados e excelente estabilidade permitem que ele assuma uma determinada gama de aplicações com requisitos de estabilidade mais altos.

6 Processo de preparação do BBO e do BIBO

6.1 Processo de preparação do BBO

Um método de crescimento de BBO usa Ba(OH)2-8H2O e H3BO3 com uma proporção molar de 2:3 para agitação e mistura, adicionando um fluxo ao processo de mistura para a reação, secando a 200-250°C após a conclusão da reação e sinterizando a 500°C-600°C por 4-5 horas para obter cristais de BBO de fase de baixa temperatura. Após a conclusão da reação, ele é seco a 200-250 °C e, em seguida, sinterizado a 500 °C-600 °C por 4-5 horas para obter cristais de BBO em fase de baixa temperatura. Esse processo adota o método de reação de estado sólido de baixa temperatura, usando hidróxido de bário e ácido bórico como matérias-primas, sem outras etapas complicadas, o processo é simples; convecção aprimorada sob o cristal, reduzindo a taxa de defeitos.

6.2 Processo de preparação do BIBO-TSSG

O BIBO é desenvolvido pelo método de cristal de semente superior (TSSG), no qual a fusão é extremamente viscosa, semelhante à solução na qual o vidro é formado, e o uso do TSSG permite que os cristais cresçam a partir da fusão de borato altamente viscosa. Quantidades estequiométricas equivalentes de Bi2O3 e B2O3 foram usadas para derreter em um cadinho de platina a uma temperatura constante de 900 °C após moagem e homogeneidade completas, e um fio de platina foi usado para o crescimento induzido de cristais, com nucleação espontânea nas proximidades do fio de platina mais frio para formar policristais que foram usados como cristais de semente para o crescimento.

Como a densidade do B2O3 é muito menor do que a do Bi2O3, ele se acumula na superfície do líquido no derretimento e a reação não é suficiente, de modo que o cristal gerado é o Bi2B8O15. Para gerar um único cristal, é usado o crescimento forçado do cristal semente, e o Bi2B8O15 transparente é escolhido como cristal semente para obter policristais de BiB3O6 e uma pequena quantidade de Bi2B8O15 abaixo do ponto de saturação. Em seguida, selecione o BiB3O6 para eliminação de crescimento múltiplo para obter cristais únicos. O fenômeno de crescimento polar do cristal de BiB3O6 é mais grave e, para gerar tamanho grande, menos defeitos e alta utilização de cristais únicos, é necessário usar o crescimento direcional.

Durante o processo de crescimento de cristais, a velocidade de rotação do cristal de semente é geralmente de 3~5r/min, e a taxa de resfriamento é de 0,1~1℃/d, com um resfriamento total de não mais que 3~4℃ para evitar a geração de cristais parasitas. Os cristais são retirados da página no final do crescimento do cristal e reduzidos à temperatura ambiente a uma taxa de 15 a 25°C/h. Deve-se tomar cuidado para que a taxa de resfriamento não seja muito lenta, de modo que a massa fundida se torne vítrea rapidamente, e para evitar o transbordamento da massa fundida cristalina em expansão que envolve os cristais.

Conclusão

O BBO e o BIBO têm propriedades ópticas não lineares devido à sua estrutura cristalina, que pode ser usada em lasers, dispositivos eletro-ópticos e outros dispositivos de conversão óptica. O BBO tem um coeficiente óptico não linear maior, o que pode melhorar efetivamente a relação entre a potência de saída e a potência de entrada do dispositivo, reduzir os requisitos de potência de entrada do dispositivo óptico e expandir o escopo de aplicação do material; enquanto o BIBO tem um coeficiente óptico não linear mais moderado O BIBO tem um coeficiente óptico não linear moderado e maior estabilidade do coeficiente de temperatura variável, o que pode evitar efetivamente a perda óptica causada pelo material e, ao mesmo tempo, a faixa dinâmica do dispositivo e o desempenho do dispositivo são menos restritos, e a estabilidade e a durabilidade também são maiores.

No processo de preparação, o método do cristal de semente superior é usado para o crescimento, e o processo do BBO é mais simples do que o do BIBO, com requisitos um pouco menores para o processo. A escolha deve se basear no cenário em que será usado, na eficiência operacional, na estabilidade e segurança e no custo geral. Você pode consultar os profissionais da SAM para obter orientação e assistência no processo de seleção.

Leitura relacionada:

BBO na Wikipédia

Outros artigos em Óptica:

GGG, SGGG e NGG

Granada de alumínio e ítrio dopada com itérbio

Referências:

[1] Zi-fang J, Jing-lin Y, Patrick S, et al. [Estudo da microestrutura do cristal de triborato de bismuto e sua fusão em alta temperatura por 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.