LBO晶體：引領高功率激光頻率轉換的核心元件

在非線性光學這個充滿奇跡的領域，一種名為三硼酸鋰（LiB?O?，簡稱LBO）的人工晶體，憑借其一系列卓越而均衡的性能，自問世以來便占據了不可撼動的核心地位。它不僅是科學實驗室中探索光與物質相互作用的利器，更是工業、醫療、軍事等領域高功率全固態激光系統中實現波長轉換的關鍵元件。本文將深入探討LBO晶體的獨特優勢，并重點剖析其作為高效頻率轉換介質，在二倍頻（SHG）、三倍頻（THG）以及其他非線性光學過程中的核心應用。

一、 LBO晶體的卓越特性：綜合性能的完美平衡

LBO晶體之所以能在眾多非線性光學晶體中脫穎而出，并非因其某一項參數達到極致，而是因其在多個關鍵性能指標上取得了難得的平衡，堪稱"全能型選手"。

• 極寬的透光范圍：LBO晶體擁有從深紫外160nm到中紅外2600nm的寬透光窗口。這一特性使其不僅能處理常見的近紅外激光（如1064nm），還能高效透射其產生的倍頻綠光（532nm）和三倍頻紫外光（355nm），為多級頻率轉換過程奠定了基礎。

• 高損傷閾值與優良光學均勻性：這是LBO晶體適用于中高功率激光系統的決定性因素。相比于其他非線性晶體，LBO能夠承受極高的激光功率密度而不發生破壞。同時，其極高的光學均勻性確保了激光波前在通過晶體時不會產生嚴重畸變，保證了良好的光束質量和轉換效率。

• 適中的非線性系數與寬相位匹配范圍：LBO的非線性系數雖非最高，但屬于中等偏上水平（約為KDP晶體的3倍），這使其在保證可觀轉換效率的同時，避免了過高的非線性效應帶來的負面影響。更重要的是，LBO晶體能夠實現I類和II類非臨界相位匹配（NCPM），且NCPM的波段范圍很寬。NCPM意味著離散角為零，允許激光在晶體內以共線方式傳播，從而可以利用更長的晶體長度來提升相互作用距離，顯著提高轉換效率，且對光束的發散角不敏感，操作更方便。

• 優異的機械與化學性能：LBO晶體硬度較高，不易潮解，化學穩定性好，易于切割、拋光和鍍膜，這為其在復雜苛刻的工業環境中長期穩定工作提供了保障。

二、 技術精進：超拋光工藝帶來的革命性優勢

近年來，LBO晶體的制備工藝，特別是表面處理技術取得了突破性進展，從而將其性能提升到了一個全新的高度。"表面超拋光" 技術是其中的核心。

• 無與倫比的低表面吸收：傳統的LBO晶體表面粗糙度通常在9-10 ? RMS左右，而先進的超拋光技術可將粗糙度控制在<3 ? RMS的極致水平。如此光滑的表面極大地減少了光散射和表面缺陷，從而將表面吸收率降至極低水平（例如，在1064nm波長下可低于1-2 ppm）。這意味著在高功率激光照射下，晶體因表面吸收熱量而導致的溫升效應被最小化，直接帶來了更高的激光誘導損傷閾值（LIDT） 和更長的晶體使用壽命。

• 極低的體吸收系數：晶體的體吸收是影響其長期穩定性和熱管理的關鍵。獨立第三方測試（如德國耶拿大學的IPHT三光子吸收測試）結果鮮明地對比了超拋光LBO與普通LBO的差異：在1070nm和355nm波長下，超拋光LBO的體吸收系數（約15 ppm/cm和5 ppm/cm）遠低于參考樣品（約100 ppm/cm和4000+ ppm/cm）。這種極低的體吸收確保了晶體在高負載下仍能保持良好的光學性能，熱透鏡效應更弱，抗老化能力更強。

正是這些工藝上的突破，使得現代高性能LBO晶體能夠承受1800 MW/cm2 (@1064nm, 10ns脈沖)、1200 MW/cm2 (@532nm) 乃至1000 MW/cm2 (@355nm) 的極端功率密度，為下一代超高功率激光系統提供了可能。

三、 核心應用：二倍頻與三倍頻效應

LBO晶體最廣泛和最重要的應用莫過于激光的頻率轉換，其中二倍頻和三倍頻是其最具代表性的技術。

1. 二倍頻：從紅外到綠光的高效跨越

二倍頻，即和頻產生，是將兩個相同頻率的光子合并成一個頻率加倍、能量更高的光子的過程。對于應用最廣泛的Nd:YAG激光器產生的1064nm近紅外激光，通過LBO晶體即可高效地轉換為532nm的綠色激光。

應用領域：

• 激光顯示與娛樂：高亮度、純色的532nm綠光是激光秀、投影儀和大型燈光表演的核心光源。

• 醫療美容：532nm綠光能被血紅蛋白強烈吸收，廣泛應用于治療血管性病變（如葡萄酒色斑、毛細血管擴張）、文身去除和色素性皮膚病治療。

• 精密加工與測量：綠光聚焦光斑更小，可用于半導體晶圓劃線、微孔加工、以及作為干涉儀的光源進行高精度測量。

• 科學研究：作為泵浦源，用于激發其他激光器（如染料激光器、鈦寶石激光器）或光學參量振蕩器（OPO），以獲取更寬波段的可調諧激光。

LBO晶體在此領域的優勢在于其高損傷閾值和寬接收角，能夠穩定、高效地處理從中小功率到數千瓦級的高功率1064nm激光。

2. 三倍頻：深入紫外波段的關鍵一步

三倍頻通常通過兩個步驟實現：首先利用LBO晶體將1064nm基頻光倍頻產生532nm綠光，然后讓剩余的1064nm基頻光與新產生的532nm綠光在另一塊（或同一塊相位匹配的）LBO晶體中進行和頻產生，最終得到355nm的紫外激光。

應用領域：

• 工業微加工：355nm紫外光具有更高的光子能量和更小的衍射極限，廣泛應用于PCB鉆孔、玻璃/陶瓷精密切割、硅片劃片、3D打印等，加工熱影響區小，精度高。

• 光譜分析：紫外激光可用于誘導熒光光譜、拉曼光譜等，用于化學、生物分子的檢測與分析。

• 激光雷達：紫外波長短，大氣探測分辨率更高，可用于環境監測、大氣成分分析等。

• 科學研究：作為超快激光放大器（如OPA/OPO系統）的泵浦源，是產生飛秒乃至阿秒激光脈沖鏈中的重要一環。

在此過程中，LBO晶體寬透光范圍的優勢盡顯無遺，它能同時高效透射1064nm、532nm和355nm三種波長的光。其高紫外損傷閾值更是確保了355nm紫外光輸出時的穩定性和可靠性，這是許多其他晶體難以企及的。

四、 超越倍頻：在OPO等領域的擴展應用

除了倍頻，LBO晶體因其寬透光范圍和可調的相位匹配特性，也是構成光學參量振蕩器（OPO）和光學參量放大器（OPA）的理想選擇。OPO/OPA能夠將一束固定頻率的泵浦光（如355nm或532nm）轉化為信號光和閑頻光，從而實現輸出波長在寬范圍內連續可調。這對于需要特定波長激光的科學研究（如量子光學、分子動力學）至關重要。

結論

綜上所述，LBO晶體憑借其寬透光范圍、高損傷閾值、優良的光學均勻性以及成熟的超拋光工藝，確立了其在非線性光學領域，特別是高功率激光頻率轉換中的核心地位。無論是將1064nm紅外光高效轉化為肉眼可見的532nm綠光，還是進一步深入355nm的紫外波段，亦或是實現寬調諧的OPO輸出，LBO晶體都展現出了無與倫比的可靠性和卓越性能。隨著激光技術向著更高功率、更短波長、更精密應用方向發展，持續優化的LBO晶體必將繼續作為堅實的技術基石，推動科學前沿探索和高端制造業的不斷進步。