β-硼酸钡，β-BaB2O4 或 BBO 晶体，是一种高效的非线性光学（NLO）晶体材料，由中国科学院福建物质结构研究所（FIRSM, CAS）于1979年首次研发。在非线性光学晶体家族中，BBO 晶体具有明显的综合优势和优越性能，特点包括宽光透过范围、弱压电振铃效应以及较大的非线性光学系数。由于上述特性，BBO 晶体是 Nd:YAG 激光器的二次、三次、四次和五次谐波生成（SHG、THG、4HG、5HG）、Ti:蓝宝石激光器和亚历山大石激光器的 SHG、THG、4HG、光学参数放大器（OPA）和光学参数振荡器（OPO）、氩离子、红宝石及铜蒸气激光器的二次谐波生成，以及全固态可调激光器、超快脉冲激光器和深紫外激光器等前沿激光技术研发领域的理想选择。BBO 晶体被公认为全球优秀的二阶非线性光学晶体之一，性能无可匹敌。此外，与其他用于电光调制的晶体相比，其在高消光比、更大相位匹配角、更高损伤阈值及优异光学均匀性方面表现卓越，有利于稳定激光输出功率。
BBO 晶体的优点包括：
Shalom EO 的 BBO 晶体
非线性频率转换是利用光学非线性，将部分输入光的光功率转换为不同波长区域输出光的一种方法。输入光源通常为准单色光，具有固定波长，有时为可调波长；在某些情况下，也会产生宽带光。非线性频率转换仅在具有较高光强的激光入射介质时发生。输出通常也呈激光状，即具有高空间相干性。
频率转换可分为二次谐波生成（点击这里了解 什么是二次谐波生成）以及三波非线性过程，其中两束泵浦光生成另一束光，其频率为泵浦光频率的和或差。二次谐波生成是其中的特例，即两光子相同频率合并为单光子，其频率为原来的两倍。三波非线性光学过程包括差频（DFG）生成、和频（SFG）生成、光学参数振荡（OPO）和光学参数放大（OPA）。
非线性频率转换的目的是获得激光自然发射光谱中不可获得的波长区域。例如，通过非线性转换近红外激光，可生成可见光或紫外光。此外，中红外激光源通常基于近红外激光与非线性频率转换装置结合实现。非线性频率转换必须满足相位匹配条件才能进行。
谐波生成是一种非线性光学过程，高强度入射激光光子与非线性材料相互作用，产生相应谐波频率的辐射。该过程通常发生在光强约 10^14 W/cm2 或更高的情况下。当 n 个相同频率的光子与非线性材料相互作用时，这些光子“合并”，生成一个能量为原始光子 n 倍的新光子。
BBO 用于 Nd:YAG 激光器的二次、三次、四次和五次谐波生成：
使用 BBO 晶体可实现卓越的转换效率：二次谐波（SHG）>70%，三次谐波（THG）>60%，四次谐波（4HG）>50%。BBO 晶体是 213 nm 五次谐波（5HG）的最佳选择。
BBO 晶体可处理高功率密度下 Nd:YAG 激光器的腔内 SHG，以生成 532 nm 输出。当使用 Brewster 角切割的 BBO 晶体泵浦 Nd:YAG 激光器（模式锁定 Nd:YLF 激光器 SHG 输出）时，可获得 266 nm 的输出且功率可观。
由于接受角小和角偏移大，良好的激光光束质量（小发散角、良好的模式条件等）是 BBO 发挥最佳性能的关键因素，因此不推荐将激光光束紧密聚焦。
其他可调谐激光器的谐波生成：
用于超快激光器的 SHG 和 THG 时，BBO 相比 KDP 和 ADP 晶体具有明显优势。
BBO 晶体是 XeCl 激光泵浦染料激光器 SHG 的有效介质，可输出紫外光（205-310 nm）。
亚历山大石激光器的 SHG/THG 输出波段为 360-390 nm，Ti:蓝宝石激光器的 SHG/THG/FHG 也可高效实现，输出波段为 244-259 nm。
氩掺激激光器腔内 SHG 可输出紫外及深紫外光，铜蒸气激光器的 SHG 可输出紫外光。
光学参数放大（OPA）是一种过程，其中高功率激光泵浦光（频率为 ωp）进入非线性晶体，产生两个低频光（ωs 和 ωi，且 ωs+ωi=ωp）的增益，同时放大对应频率光束。当满足相位匹配条件时增益最大。在过程中，频率为 ωs（信号光）的光束入射非线性晶体，其光强将被放大，若没有光束入射，则在频率为 ωi 时产生相干光（闲置光）。从光子学角度看，这是泵浦光子被湮灭生成两个低频光子（对应信号光和闲置光）。
光学参数振荡（OPO）是一种过程，其中输入激光波（称为泵浦，频率 ωp）通过二阶非线性光学作用转换为两个低频输出波（ωs, ωi），输出波频率之和等于输入波频率 ωs+ωi=ωp。两个输出波分别称为“信号”和“闲置”，频率较高的输出波为“信号”。若将非线性介质置于光学腔中，泵浦光波、信号光波和闲置光波重复通过介质，当信号光波与闲置光波在腔内的放大增益大于其损耗时，腔内形成激光振荡，这就是光学参数振荡的工作原理。
BBO 用于光学参数振荡（OPO）/光学参数放大（OPA）：
利用 BBO 晶体进行 OPO 和 OPA，可轻松获得从紫外到红外的宽波段可调输出。常见应用包括：
我们的 BBO 晶体可支持 532 nm 泵浦激光器的 OPO 输出，具有良好的转换效率。
使用 Shalom EO 的 BBO 晶体，355 nm Nd:YAG 泵浦激光器的 OPO 可产生从紫外到中远红外（MWIR）的宽可调波段，转换效率优良。BBO 晶体的 OPA 可生成窄带、高功率、可调（400-2000 nm）脉冲，相比染料激光器在效率、可调范围和维护方面优势显著。
电光调制（EOM）是一种通过调整电信号实现对光功率、相位或偏振控制的过程。调制基于电光效应，即材料的吸收或折射率随施加的直流或低频电场变化而改变。非线性晶体可视为最简单的电光调制器，其折射率随局部电场强度变化。
β-BBO 晶体在 EOM 应用中相比其他材料表现出显著优势，如高功率处理能力、高损伤阈值、温度稳定性以及较少的压电振铃效应。它是 200-2500 nm 波段高功率应用的优良电光晶体。β-BBO 晶体是高重复率 Q 开关、脉冲选取（高达 3 MHz）、激光腔倾卸、再生放大器控制及光束切割器的理想选择。
Shalom EO 的电光应用 BBO 晶体
在量子光学中，自发参数下转换（SPDC）是一项关键技术，可用于制备单光子或量子纠缠光子对。
早在 1970 年，David Burnham 和 Donald Weinberg 就首次详细描述了 SPDC。
基本原理是使用非线性晶体将一个光子分裂成光子对，原光子称为“泵浦光子”，光子对中的两个光子分别称为“信号光子”和“闲置光子”。根据能量守恒定律和动量守恒定律，光子对的总能量和总动量等于泵浦光子的能量和动量。根据能量守恒定律，可得 ωp=ωs+ωi，其中 ωp、ωs、ωi 分别为泵浦光子、信号光子和闲置光子的角频率。
根据动量守恒定律，可得 kp=ks+ki，其中 kp、ks、ki 分别为泵浦光子、信号光子和闲置光子的波矢量。
以上两个方程称为相位匹配条件，只有某些类型的非线性晶体可实现，例如硼酸钡晶体或磷酸二氢钾晶体。
若信号光子与闲置光子偏振相同且与泵浦光子垂直，则称为 1 型相位匹配；若信号光子与闲置光子偏振互相垂直，则称为 2 型相位匹配。连续发射的光子对之间没有偏振相关性。
目前，使用非线性光学晶体，尤其是 BBO 晶体制备高亮度纠缠光子对已成为制备量子纠缠和 Bell 不等式研究的主流方法。该光源具有显著优势：结构简单、便于实现和检测；可生成两个非常小的相关光束，可输入长光纤或自由空间传输，因此光源与测量装置可相隔数千公里，使验证实验更加直接和客观。
2022 年，中国科学家首次实现了高维 Bell 不等式无检测漏洞测试。中国科学技术大学郭光灿院士团队的 Chuanfeng Lee 和 Biheng Liu 研究组使用 BBO 晶体生成纠缠光子，将高维纠缠光子的整体检测效率提高至 71.7%，从而完成了高维 Bell 不等式无检测漏洞测试。
BBO 晶体在多种应用中展现了多功能性和卓越能力，在全球市场和先进科研领域证明了其高商业价值和广阔前景。Shalom EO 始终愿意为您提供顶级品质的 BBO 晶体，并携手迈向未来技术领域。
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