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변환기 및 계산기
구조에서 응용까지: BIBO와 BBO 중 어느 것이 더 나은 결정체일까요?
1 요약
베타-붕소 붕산염(BBO) 및 비스무트 트리보레이트(BIBO ) 결정은 주파수를 두 배로 증가시키는 결정입니다. 가시광선 및 근적외선 범위에서 우수한 투명성과 비선형 광학 특성으로 인해 비선형 광학 애플리케이션에 널리 사용되는 것이 특징입니다. BBO와 BIBO의 비선형 광학 계수가 다르기 때문에 서로 다른 애플리케이션 시나리오에서도 사용됩니다.
BBO는 광 주파수 배가, 합산 및 차동 주파수 생성의 응용 시나리오에서 큰 비선형 광학 계수를 가지고 있으며, 큰 비선형 광학 계수는 효율성과 효과적인 변환을 향상시키고 동일한 입력 전력에서 더 강력한 출력 신호를 생성하여 사용되는 장치의 전력 요구 사항을 줄일 수 있습니다.
BIBO의 적당한 비선형 광학 계수는 광학 손실을 완화하고 광학 포화 효과로 인한 성능 제한을 방지하는 데 도움이 됩니다. 또한 BIBO 결정의 비선형 광학 계수는 온도에 따른 변화가 상대적으로 적기 때문에 일정 범위에서 안정적인 광학 성능을 유지할 수 있습니다. 이 때문에 광 변조기, 레이저 주파수 배율기, 광학 측정 등에 널리 사용됩니다.
이 기사에서는 결정 구조, 광학적 특성, 응용 시나리오, 준비 및 비용의 네 가지 측면에서 BBO와 BIBO 결정을 비교하여 선택에 참고할 수 있도록 SAM에서 제공합니다.
2 BBO와 BIBO 소개
BaB2O4 또는 Ba(BO2)2라고도 하는 붕산 바륨은 무기 화합물입니다. 수화된 형태와 탈수된 형태로 존재하며 백색 분말 또는 무색 결정으로 나타납니다. 결정은 고온의 α 상과 저온의 β 상이라는 두 가지 상으로 나타납니다. 두 상 모두 복굴절을 나타내므로 β 상 붕산 바륨(BBO)은 널리 사용되는 비선형 광학 재료입니다.
비스무트 트리보레이트(BiB3O6, BIBO)는 새로 개발된 비선형 광학 결정입니다. 유효 비선형 광학 계수가 크고 손상 임계값이 높으며 용해에 취약하지 않습니다. 외관은 일반적으로 무색 결정으로 나타납니다.
3 BBO와 BIBO의 결정 구조
BBO는 격자의 붕산염 이온이 삼각형 모양으로 배열되고 바륨 이온이 그 안의 빈 자리를 차지하는 삼원 결정계에 속합니다. BIBO는 단사 결정계에 속합니다. 이 두 가지의 화학적 및 구조적 특성은 표 1에서 비교하고 있습니다.
표 1 화학적 및 구조적 특성
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결정 구조 |
삼원 결정계 공간 점 그룹 R3c |
단사 결정계 공간 점 그룹 C2-2 |
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셀 파라미터 |
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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녹는점 |
~1095 ℃ |
726 ℃ |
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모스 경도 |
4 모스 |
5-5.5 Mohs |
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밀도 |
3.85 g/cm3 |
5.033 g/cm3 |
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열팽창 계수 |
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 |
다른 광학적 특성에 따라 결정은 광학 균질(등방성)과 광학 이질(이방성)의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. BBO가 속하는 삼원 결정계와 BIBO가 속하는 단사 결정계는 광학적 이질계에 속하며, 삼원 세포 구조는 단축 결정으로 A축과 B축의 방향에서 동일한 물리적 특성을 갖습니다. 단선 결정 시스템은 세 축 방향에서 모두 다른 특성 상수를 갖는 이축 결정입니다. 비선형 결정의 경우 이방성으로 인해 o광 (구면 굴절광)과 e광 (타원체 굴절광)은 굴절률이 다르며 복굴절 현상이 발생합니다. e광 굴절률과 o광의 굴절률은 변화 속도가 다른 온도와 함께 매질에서 광파의 상호 작용이 광파의 전파에 참여하면 유효 주파수 변화를 실현할 가능성이 동일한 속도를 갖습니다. 따라서 BBO와 BIBO는 모두 비선형 광학 특성을 가지고 있습니다.
4 BBO와 BIBO의 광학적 특성
4.1 BBO와 BIBO의 비선형 광학적 특성
BBO와 BIBO의 결정 구조에 내재된 비중심 대칭은 고전적인 중심 대칭 조건을 준수하지 못하게 하여 비선형 광학 효과를 나타냅니다. 결과적으로 이러한 결정 내의 원자 또는 분자는 광장에 비선형적으로 반응하여 광장 강도의 변화에 따라 편광률의 변화를 초래합니다. 이러한 비선형 편광률로 인해 큰 비선형 광학 계수를 특징으로 하는 BBO와 BIBO의 고유한 비선형 광학 특성이 발생하고 고유한 응용이 용이해집니다.
참고: (a): c 방향으로 셀의 투영도; (b): 사면체, 삼각형, 크고 작은 원자는 각각 음이온 그룹, [BO4]5-, [BO3]3-, 원자, Bi 및 O를 나타내는 방향으로 셀의 투영도 [1].
BBO와 BIBO는 주로 비선형 광학 계수 및 투명도 차이에서 광학적 특성에 약간의 차이가 있습니다. 비선형 광학 계수 측면에서 BBO는 더 넓은 광학 스펙트럼에서 더 큰 비선형 광학 계수를 가지므로 주파수 배가, 합산 차이 생성 등과 같은 다양한 비선형 광학 애플리케이션에 적합합니다. BIBO는 또한 우수한 비선형 광학 특성을 가지고 있으며, 비선형 광학 계수는 일반적으로 BBO보다 약간 낮지만 특정 파장 범위에서는 더 좋을 수 있습니다. 투명도 측면에서 BBO는 가시광선 및 근적외선 범위에서 투명도가 좋은 반면, BIBO는 특히 가시광선 범위에서 BBO보다 투명도가 약간 떨어집니다.
그러나 다른 비선형 광학 결정과 비교할 때 BIBO 결정은 광학 손실에 대한 내성이 뛰어나며 넓은 투명 스펙트럼 범위를 가지고 있습니다. 또한, BIBO 결정의 비선형 광학 계수는 온도에 따른 변화가 최소화되어 특정 범위 내에서 안정적인 광학 특성을 유지할 수 있습니다.
표 2 광학 및 비선형 광학 특성
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전송 대역 |
190-3500nm |
286-2500nm |
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흡수 계수 |
<0.1%/cm@1064nm <1%/cm@532nm |
<0.1%/cm@1064nm |
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1064/532nm |
비율 |
2.7 오후/V |
3.0±0.1 pm/V |
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수신 각도 |
0.8mrad-cm(θ, 유형Ⅰ, 1064 SHG) 1.27mrad-cm(θ, 유형Ⅱ, 1064 SHG) |
2.32mard-cm |
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출발 각도 |
2.7°(타입Ⅰ, 1064 SHG) 3.2°(타입Ⅱ, 1064 SHG) |
25.6 mrad |
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온도 대역폭 |
55 ℃-cm |
2.17 ℃-cm |
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셀마이어 방정식 (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 비선형 광학 계수 소개
비선형 광학 계수는 비선형 광학 재료가 빛의 강도에 반응하는 방식을 특징짓는 기본적인 물리량입니다. 비선형 광학에서 빛에 대한 재료의 반응은 강도에만 비례하는 것이 아니라 강도의 더 큰 거듭제곱에 따라 달라집니다. 비선형 광학 계수는 이러한 비선형 응답 강도를 측정하는 역할을 합니다. 이 값은 결정 대칭성, 전기장 편광, 분자 구조와 같은 재료 특성을 비롯한 다양한 요소의 영향을 받습니다. 예를 들어, 중심 대칭이 아닌 결정은 독특한 분자 배열로 인해 더 큰 비선형 광학 계수를 나타내는 경우가 많습니다. 또한 입사광의 주파수와 세기도 재료의 반응을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 더 높은 주파수 또는 강도의 빛은 더 강한 비선형 효과를 유도할 수 있습니다. 전반적으로 비선형 광학 계수를 이해하면 재료가 빛과 상호 작용하는 방식에 대한 통찰력을 얻을 수 있으며 효율적인 비선형 광학 장치를 설계할 수 있습니다.
4.3 비선형 광학 계수에 영향을 미치는 요인
비선형 광학 계수의 크기는 비선형 광학 애플리케이션에서 재료의 효율과 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어, 주파수 배율기에서 비선형 광학 계수가 클수록 재료가 입사광의 주파수를 원하는 주파수에 더 효율적으로 곱합니다. 마찬가지로 광 변조기에서 비선형 광학 계수의 크기는 변조기의 변조 깊이와 응답 속도에 영향을 미칩니다.
5 BBO 및 BIBO의 애플리케이션 시나리오
5.1 광학 연구의 발전
BBO는 BIBO에 비해 비선형 광학 계수가 더 크므로 특정 애플리케이션에서 이점을 제공합니다. 주파수 배가, 합산 및 차동 주파수 생성과 같은 일부 비선형 광학 애플리케이션에서는 비선형 광학 계수가 클수록 광학 장치의 효율이 향상되어 원하는 광학 변환을 달성하는 데 더 효과적일 수 있습니다. 동시에 비선형 광학 계수가 클수록 동일한 입력 전력에서 더 강력한 출력 신호를 생성할 수 있으므로 광학 장치의 전력 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 또한 일부 특정 애플리케이션에서는 더 큰 비선형 광학 효과를 구현해야 하므로 비선형 광학 계수가 클수록 소재를 사용할 수 있는 애플리케이션의 범위가 확장될 수 있습니다.
광학 연구 분야에서 Stanton EJ 등 [2] 은 SiN과 BBO 비선형 결정으로 구성된 결합된 인터페이스에서 체렌코프 위상 정합을 달성했습니다. 방출 각도, 변환 효율 및 출력 전력 간의 상관관계는 도파관 크기와 펌프 전력에 대한 체계적인 연구를 통해 분석됩니다. 실험 결과는 원 자외선 레이저 생성의 가능성을 확인하고 인체 안전 소독, 비 가시선 자유 공간 통신 및 심 자외선 라만 분광학에 응용할 가능성이 큰 소형 제품의 대량 생산에 대한 이론적 지원을 제공합니다.
도전 과제와 단점
그러나 비선형 광학 계수가 클수록 재료의 광학 손실이 증가하여 장치의 효율이 저하될 수 있는 등 몇 가지 도전 과제와 단점이 있을 수 있습니다. 경우에 따라 비선형 광학 계수가 클수록 광학 포화 효과가 발생하여 디바이스의 동적 범위와 성능이 제한될 수 있습니다. 또한 일부 소재는 비선형 광학 응답이 커서 안정성 및 내구성 측면에서 성능이 저하될 수 있습니다. 이러한 애플리케이션 시나리오에서는 비선형 광학 계수가 적당하고 안정성이 우수하여 안정성 요구 사항이 높은 특정 범위의 애플리케이션을 수행할 수 있는 BBO보다 BIBO가 더 적합한 선택입니다.
6 BBO와 BIBO의 준비 과정
6.1 BBO의 준비 과정
BBO의 성장 방법은 Ba(OH)2-8H2O와 H3BO3를 몰비 2:3으로 교반 및 혼합하고, 반응을 위한 혼합 공정에 플럭스를 첨가하고, 반응 완료 후 200-250°C에서 건조하고 500°C-600°C에서 4-5시간 소결하여 저온 상 BBO의 결정을 얻습니다. 반응이 완료된 후 200-250°C에서 건조시킨 다음 500°C-600°C에서 4-5시간 동안 소결하여 저온 상 BBO 결정을 얻습니다. 이 공정은 수산화 바륨과 붕산을 원료로 사용하는 저온 고체 반응 방법을 채택하여 다른 번거로운 단계없이 공정이 간단하고 결정 아래의 대류가 강화되어 결함률이 감소합니다.
6.2 BIBO-TSSG의 제조 공정
BIBO는 용융물이 유리가 형성되는 용액과 유사하게 점성이 매우 높은 탑 시드 결정법(TSSG)으로 성장하며, TSSG를 사용하면 점성이 높은 붕산염 용융물에서 결정이 성장할 수 있습니다. 화학량론적으로 동일한 양의 Bi2O3와 B2O3를 900°C의 일정한 온도에서 백금 도가니에 녹여 철저한 분쇄와 균질화를 거친 후 백금 와이어를 사용하여 결정의 성장을 유도하고, 차가운 백금 와이어 주변에서 자발적인 핵 생성을 통해 다결정을 형성하여 성장을 위한 시드 결정으로 사용했습니다.
B2O3의 밀도가 Bi2O3보다 훨씬 작기 때문에 용융물에서 액체 표면에 모여 반응이 충분하지 않아 생성되는 결정은 Bi2B8O15이며, 단결정을 생성하기 위해 시드 결정 강제 성장을 사용하고 투명한 Bi2B8O15를 시드 결정으로 선택하여 포화점 이하의 BiB3O6와 소량의 Bi2B8O15의 다결정을 얻습니다. 그런 다음 다중 성장 제거를 위해 BiB3O6를 선택하여 단결정을 얻습니다. BiB3O6 결정 극성 성장 현상이 더 심각하여 크기가 크고 결함이 적으며 단결정의 활용도를 높이려면 방향성 성장을 사용해야합니다.
결정 성장 과정에서 시드 결정의 회전 속도는 일반적으로 3~5r/min이고 냉각 속도는 0.1~1℃/d이며 총 냉각은 3~4℃ 이하로 기생 결정의 생성을 방지합니다. 결정 성장이 끝나면 결정은 페이지에서 들어 올려 15~25°C/h의 속도로 실온으로 감소합니다. 용융물이 빠르게 유리질이 되지 않도록 냉각 속도가 너무 느리지 않도록 주의하고, 결정 주위를 감싸는 결정 팽창 용융물이 넘치지 않도록 주의해야 합니다.
결론
BBO와 BIBO는 결정 구조로 인해 비선형 광학 특성을 가지며 레이저, 전기 광학 장치 및 기타 광학 변환 장치에 사용할 수 있습니다. BBO는 더 큰 비선형 광학 계수를 가지고있어 장치의 출력 대 입력 전력 비율을 효과적으로 개선하고 광학 장치의 입력 전력 요구 사항을 줄이고 재료의 적용 범위를 확장 할 수 있으며, BIBO는 더 적당한 비선형 광학 BIBO는 적당한 비선형 광학 계수와 가변 온도 계수의 안정성이 높아 재료로 인한 광학 손실을 효과적으로 피할 수 있으며 동시에 장치의 동적 범위와 장치의 성능이 덜 제한되고 안정성과 내구성도 더 높습니다.
준비 과정에서 상단 시드 결정 방법은 성장에 사용되며 BBO의 공정은 BIBO의 공정보다 간단하며 공정에 대한 요구 사항이 약간 낮습니다. 사용 시나리오, 운영 효율성, 안정성 및 안전성, 전체 비용에 따라 선택해야 합니다. 선택 과정에서 SAM의 전문가와 상담하여 조언과 지원을 받을 수 있습니다.
관련 자료
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참조:
[1] Zi-fang J, Jing-lin Y, Patrick S 외. [라만 분광법에 의한 비스무트 트리보레이트 결정 및 고온에서의 용융물에 대한 미세 구조 연구]. [J]. 광 푸 슈 유광 푸 펜시 = 광 푸,2012,32(1).
[2] Stanton EJ, Tønning P, Ulsig EZ, Calmar S, Stanton MA, Thomsen ST, Gravesen KB, Johansen P, Volet N. 청색 레이저 다이오드에 의해 펌핑된 원거리 UVC에서의 연속파 2차 고조파 생성. 2024 Feb 8;14(1):3238. 도이: 10.1038/s41598-024-53144-7. PMID: 38331948; PMCID: PMC10853522.
Chin Trento
