من الهيكل إلى التطبيق: هل BIBO أم BBO البلورة الأفضل؟
1 الخلاصة
بلوراتبيتا باريوم بورات (BBO) وبلوراتبيسموث تريبورات (BIBO) هي بلورات مضاعفة التردد. وهي تتميز بشفافية جيدة في نطاقات الأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة من الأشعة تحت الحمراء وبخصائصها البصرية غير الخطية، مما أدى إلى استخدامها على نطاق واسع في التطبيقات البصرية غير الخطية. ونظرًا لاختلاف المعاملات البصرية غير الخطية لكل من BBO وBIBO، يتم استخدامهما أيضًا في سيناريوهات تطبيقات مختلفة.
يحتوي BBO على معامل بصري غير خطي كبير، في سيناريوهات تطبيق مضاعفة التردد البصري، والتجميع، وتوليد التردد التفاضلي، يمكن لمعامله البصري غير الخطي الكبير أن يحسن الكفاءة والتحويل الفعال وإنتاج إشارات خرج أقوى تحت نفس طاقة الإدخال، مما يقلل من متطلبات الطاقة للجهاز المستخدم.
يساعد معامل BIBO البصري غير الخطي المعتدل في التخفيف من الخسائر البصرية ويمنع قيود الأداء بسبب تأثيرات التشبع البصري. وبالإضافة إلى ذلك، يختلف المعامل البصري غير الخطي لبلورة BIBO اختلافًا ضئيلًا نسبيًا مع درجة الحرارة، مما يمكّنها من الحفاظ على أداء بصري مستقر على نطاق معين. وهذا يجعلها تُستخدم على نطاق واسع في المغيرات الضوئية، ومضاعفات تردد الليزر، والقياسات الضوئية، إلخ.
في هذه المقالة، سوف يقارن SAM بين بلورات BBO وBIBO من أربعة جوانب: التركيب البلوري، والخصائص البصرية، وسيناريوهات التطبيق، والتحضير، والتكلفة، لتزويدك بمرجع لاختيارك.
2 مقدمة عن BBO و BIBO
بورات الباريوم، المعروف أيضًا باسم BaB2O4 أو Ba(BO2)2، هو مركب غير عضوي. وهو موجود في كل من الشكلين المميّه والمجفّف، ويظهر إما على شكل مسحوق أبيض أو بلورات عديمة اللون. تُظهر البلورات مرحلتين متميزتين: المرحلة ألفا ذات درجة الحرارة العالية والمرحلة بيتا ذات درجة الحرارة المنخفضة. تُظهر كلتا المرحلتين انكسارًا ثنائي الانكسار، مما يجعل المرحلة β من بورات الباريوم (BBO) مادة بصرية غير خطية مستخدمة على نطاق واسع.
تريبورات البزموت (BiB3O6، BIBO) هي بلورة بصرية غير خطية مطورة حديثًا. لها معامل بصري غير خطي فعال كبير غير خطي، وعتبة تلف عالية، وليست عرضة للتحلل. يتم تقديم المظهر بشكل عام كبلورات عديمة اللون.
3 البنية البلورية ل BBO وBIBO
ينتمي BBO إلى النظام البلوري الثلاثي، حيث يتم ترتيب أيونات البورات في الشبكة في شكل مثلث وتشغل أيونات الباريوم مواضع الفراغ فيها. أما BIBO فينتمي إلى النظام البلوري الأحادي. تتم مقارنة الخواص الكيميائية والهيكلية لكليهما في الجدول 1.
الجدول 1 الخواص الكيميائية والهيكلية
|
البنية البلورية |
النظام البلوري الثلاثي المجموعة النقطية الفضائية R3c |
النظام البلوري الأحادي المجموعة النقطية الفضائية C2-2 |
|
معلمات الخلية |
أ=ب=12.532.532 Å ج=12.717 Å Z=6 |
أ=7.116 Å ب=4.993 Å ج=6.508 Å Å β=105.62° Z=2 |
|
نقطة الانصهار |
~1095 ℃ |
726 ℃ |
|
صلادة موس |
4 موس |
5-5.5 موس |
|
الكثافة |
3.85 جم/سم3 |
5.033 جم/سم3 |
|
معامل التمدد الحراري |
α11=4×10-6/كلفن α33= 36×10-6 / كلفن |
α=4.8×10-10-5 / كلفن αb=4.4×10-6/كلفن αc=2.69×10-10-5 / كلفن |
وفقًا للخصائص الضوئية المختلفة، يمكن تقسيم البلورات إلى فئتين: متجانسة ضوئية (متساوية الخواص) وغير متجانسة ضوئية (متباينة الخواص). وينتمي النظام البلوري الثلاثي الذي ينتمي إليه BBO والنظام البلوري الأحادي الذي ينتمي إليه BIBO إلى النظام البصري غير المتجانس، في حين أن بنية الخلية الثلاثية هي بلورة أحادية المحور، لها نفس الخصائص الفيزيائية في اتجاهات المحورين a وb. أما نظام البلورة الأحادية فهي بلورة ثنائية المحور ذات ثوابت مميزة مختلفة في اتجاهات المحاور الثلاثة. بالنسبة للبلورات غير الخطية، وبسبب تباين الخواص يكون للضوء o (الضوء المنكسر الكروي) والضوء e (الضوء المنكسر البيضاوي) مؤشرات انكسار مختلفة، مع ظاهرة الانكسار الثنائي الانكسار. مؤشر انكسار الضوء e ومعامل انكسار الضوء o مع اختلاف سرعة التغير، مما يجعل تفاعل الموجة الضوئية في الوسط يشارك في انتشار الموجات الضوئية هناك نفس سرعة إمكانية تحقيق التغير الفعال للتردد. وبالتالي، يتمتع كل من BBO و BIBO بخصائص بصرية غير خطية.
4 الخواص البصرية ل BBO و BIBO
4.1 الخواص البصرية غير الخطية لكل من BBO وBIBO
يمنع التماثل غير المركزي المتأصل في البنى البلورية ل BBO وBIBO من الالتزام بشروط التماثل المركزي الكلاسيكية، وبالتالي تُظهر تأثيرات بصرية غير خطية. وبالتالي، فإن الذرات أو الجزيئات داخل هذه البلورات تستجيب بشكل غير خطي للمجال الضوئي، مما يؤدي إلى تغيرات في معدل الاستقطاب تتوافق مع التغيرات في شدة المجال الضوئي. إن معدل الاستقطاب غير الخطي هذا هو الذي يولد الخصائص البصرية غير الخطية الفريدة من نوعها لبلورات BBO وBIBO، التي تتميز بمعاملات بصرية غير خطية كبيرة وتسهل تطبيقاتها المميزة.
ملاحظة: (أ): مخطط الإسقاط للخلية في اتجاه c؛ (ب): مخطط الإسقاط للخلية في اتجاه رباعي السطوح والمثلثات والذرات الكبيرة والصغيرة تشير إلى المجموعات الأنيونية و[BO4]-5 و[BO3]-3 والذرات وBI وO على التوالي [1]
يوجد بين BBO وBIBO بعض الاختلافات في الخصائص البصرية، خاصةً في المعامل البصري غير الخطي واختلافات الشفافية. من حيث المعامل الضوئي غير الخطي، لدى BBO معامل بصري غير خطي أكبر في طيف بصري أوسع، وهو مناسب لمجموعة متنوعة من التطبيقات البصرية غير الخطية، مثل مضاعفة التردد، وتوليد فرق التجميع، إلخ. يتمتع BIBO أيضًا بخصائص بصرية غير خطية جيدة، وعادةً ما يكون معامله البصري غير الخطي أقل قليلاً من BBO، ولكنه قد يكون أفضل في نطاق طول موجي محدد. فيما يتعلق بالشفافية، يتمتع BBO بشفافية جيدة في نطاقات الأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة، في حين أن BIBO أقل شفافية قليلاً من BBO، خاصة في النطاق المرئي.
ومع ذلك، عند مقارنتها بالبلورات الضوئية غير الخطية الأخرى، تُظهر بلورات BIBO قدرة تحمل ملحوظة للفاقد البصري وتمتلك نطاقًا طيفيًا شفافًا واسعًا. علاوة على ذلك، تُظهر المعاملات الضوئية غير الخطية لبلورات BIBO تباينًا ضئيلًا مع درجة الحرارة، مما يمكّنها من الحفاظ على خصائص بصرية مستقرة ضمن نطاق معين.
الجدول 2 الخصائص الضوئية وغير الضوئية غير الخطية
|
نطاق الإرسال |
190-3500 نانومتر |
286-2500 نانومتر |
|
|
معامل الامتصاص |
<0.1%/سم@1064 نانومتر <1%/سم في 532 نانومتر |
<0.1%/سم @ 1064 نانومتر |
|
|
1064/532 نانومتر |
النسبة |
2.7 م/فولت |
3.0 ± 0.1 م/فولت |
|
زاوية الاستقبال |
0.8مراد-سم (θ، النوعⅠ، 1064 SHG) 1.27مراد-سم (θ، النوعⅡ، 1064 SHG) |
2.32 مارد-سم |
|
|
زاوية المغادرة |
2.7 درجة (النوعⅠ، 1064 SHG) 3.2 درجة (النوعⅡ، 1064 SHG) |
25.6 ° (النوع↪NlⅡ 1064 SHG) |
|
|
عرض النطاق الترددي لدرجة الحرارة |
55 ℃ سم |
2.17 ℃ سم |
|
|
معادلة سيلميير (λ/µم) |
ن2 = 2.7359 + 0.01878 / (λ^2 - 0.01822) - 0.01354 λ^2 ن2 = 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 |
|
4.2 مقدمة في المعاملات البصرية غير الخطية
المعامل البصري غير الخطي هو كمية فيزيائية أساسية تميز كيفية استجابة المادة البصرية غير الخطية لشدة الضوء. في علم البصريات غير الخطية، لا تتناسب استجابة المادة للضوء مع الشدة فقط، بل تعتمد أيضًا على القوى الأعلى للشدة. تعمل المعاملات البصرية غير الخطية كمقاييس لقوة الاستجابة غير الخطية هذه. وتتأثر قيمها بعوامل مختلفة بما في ذلك خصائص المواد، مثل التماثل البلوري، واستقطاب المجال الكهربائي، والتركيب الجزيئي. على سبيل المثال، غالبًا ما تُظهر البلورات ذات التماثل غير المركزي معاملات بصرية لا خطية أكبر بسبب ترتيباتها الجزيئية الفريدة. بالإضافة إلى ذلك، يلعب تردد الضوء الساقط وشدته أيضًا دورًا حاسمًا في تحديد استجابة المادة. قد يؤدي الضوء الأعلى ترددًا أو شدة إلى إحداث تأثيرات لا خطية أقوى. بشكل عام، يوفر فهم المعاملات الضوئية غير الخطية نظرة ثاقبة حول كيفية تفاعل المواد مع الضوء ويتيح تصميم أجهزة بصرية غير خطية فعالة.
4.3 العوامل المؤثرة على المعاملات البصرية غير الخطية
يؤثر حجم المعامل البصري غير الخطي بشكل مباشر على كفاءة وأداء المادة في التطبيقات البصرية غير الخطية. على سبيل المثال، في مضاعفات التردد، كلما كان المعامل البصري غير الخطي أكبر، كلما زادت كفاءة المادة في مضاعفة تردد الضوء الساقط إلى التردد المطلوب. وبالمثل، في المُعدِّل البصري، يؤثر حجم المعامل البصري غير الخطي على عمق التضمين وسرعة استجابة المُعدِّل.
5 سيناريوهات تطبيقية للمُعدِّل الضوئي غير الخطي والمُعدِّل الضوئي الثنائي البوصلة
5.1 التقدم في الأبحاث البصرية
يتميز BBO بمعامل بصري غير خطي أكبر من BIBO، مما يمنحه ميزة في بعض التطبيقات. في بعض التطبيقات الضوئية غير الخطية، مثل مضاعفة التردد، والتجميع، وتوليد التردد التفاضلي، يمكن أن يحسن المعامل البصري غير الخطي الأكبر من كفاءة الجهاز البصري، مما يجعله أكثر فعالية في تحقيق التحويل البصري المطلوب. وفي الوقت نفسه، يمكن للمعاملات البصرية غير الخطية الأكبر حجمًا أن تنتج إشارة خرج أقوى عند نفس طاقة الإدخال، مما يقلل من متطلبات الطاقة للبصريات. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب بعض التطبيقات المحددة تحقيق تأثيرات بصرية غير خطية أكبر، لذا يمكن للمعاملات البصرية غير الخطية الأكبر حجمًا أن توسع نطاق التطبيقات التي يمكن استخدام المادة فيها.
في مجال الأبحاث البصرية، حقق ستانتون إي جيه وآخرون [2] مطابقة طور شيرينكوف على واجهة مترابطة تتكون من بلورات غير خطية من SiN وBBO. تم تحليل العلاقة بين زاوية الانبعاث وكفاءة التحويل وقدرة الخرج من خلال دراسة منهجية لأبعاد الدليل الموجي وقدرة المضخة. تؤكد النتائج التجريبية جدوى توليد أشعة الليزر فوق البنفسجية البعيدة وتوفر دعمًا نظريًا لإنتاج كميات كبيرة من المنتجات المدمجة التي تنطوي على إمكانات كبيرة للتطبيقات في مجال التطهير الآمن للبشر، والاتصالات الفضائية الحرة غير المتصلة بخط الرؤية والتحليل الطيفي بالأشعة فوق البنفسجية العميقة رامان.
التحديات والعيوب
ومع ذلك، قد تمثل المعاملات الضوئية غير الخطية الأكبر بعض التحديات والعيوب، مثل الاستجابة الضوئية غير الخطية الأكبر قد تؤدي إلى زيادة الفقد البصري في المادة، مما يقلل من كفاءة الجهاز. في بعض الحالات، قد تؤدي المعاملات البصرية غير الخطية الأكبر إلى تأثيرات التشبع البصري التي تحد من النطاق الديناميكي وأداء الجهاز. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون أداء بعض المواد ضعيفًا من حيث الثبات والمتانة بسبب وجود استجابة بصرية غير خطية كبيرة. في مثل هذه السيناريوهات التطبيقية، يعتبر BIBO خيارًا أكثر ملاءمة من BBO، الذي تسمح له معاملاته البصرية غير الخطية المعتدلة والثبات الممتاز بتولي مجموعة معينة من التطبيقات ذات متطلبات ثبات أعلى.
6 عملية تحضير BBO وBIBO
6.1 عملية تحضير BBO
تستخدم طريقة نمو ثنائي أكسيد ثنائي الفينيل متعدد الأكسجين (BBO) Ba(OH)2-8H2O وH3BO3 بنسبة مولارية 2:3 للتحريك والخلط، وإضافة تدفق لعملية الخلط للتفاعل، والتجفيف عند 200-250 درجة مئوية بعد اكتمال التفاعل، والتلبيد عند 500 درجة مئوية -600 درجة مئوية لمدة 4-5 ساعات للحصول على بلورات من الطور منخفض الحرارة BBO. بعد اكتمال التفاعل، يتم تجفيفها عند درجة حرارة 200-250 درجة مئوية ثم تلبيدها عند درجة حرارة 500 درجة مئوية-600 درجة مئوية لمدة 4-5 ساعات للحصول على بلورات من الطور منخفض الحرارة BBO. تعتمد هذه العملية على طريقة تفاعل الحالة الصلبة منخفضة الحرارة باستخدام هيدروكسيد الباريوم وحمض البوريك كمواد خام، دون خطوات مرهقة أخرى، والعملية بسيطة؛ مما يعزز الحمل الحراري تحت البلورة، ويقلل من معدل الخلل.
6.2 عملية تحضير BIBO-TSSG
يُزرع BIBO بطريقة البلورة البذرية العلوية (TSSG)، حيث يكون الذوبان شديد اللزوجة مشابهًا للمحلول الذي يتكون فيه الزجاج، ويسمح استخدام TSSG بنمو البلورات من ذوبان البورات عالي اللزوجة. تم استخدام كميات متكافئة متكافئة متكافئة من Bi2O3 وB2O3 للذوبان في بوتقة بلاتينية عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 900 درجة مئوية بعد الطحن والتجانس الدقيق، وتم استخدام سلك بلاتيني للنمو المستحث للبلورات، مع تنوي تلقائي في محيط سلك البلاتين الأكثر برودة لتشكيل بلورات متعددة البلورات التي استخدمت كبلورات بذرة للنمو.
ونظرًا لأن كثافة B2O3 أصغر بكثير من Bi2O3، فإنها تتجمع على السطح السائل في الذوبان، ولا يكون التفاعل كافيًا، لذا فإن البلورة المتولدة هي Bi2B8O15، ولتوليد بلورة واحدة، يتم استخدام النمو القسري لبلورة البذرة القسرية، ويتم اختيار Bi2B8O15 الشفاف كبلورة بذرة للحصول على بلورات متعددة من Bi2B3O6 وكمية صغيرة من Bi2B8O15 تحت نقطة التشبع. ثم يتم اختيار BiB3O6 لإزالة النمو المتعدد للحصول على بلورات مفردة. تعد ظاهرة النمو القطبي البلوري لبلورة BiB3O6 أكثر خطورة، لتوليد حجم كبير وعيوب أقل واستخدام عالٍ للبلورات المفردة، من الضروري استخدام النمو الاتجاهي.
أثناء عملية نمو البلورة، تكون سرعة دوران بلورة البذرة بشكل عام 3 ~ 5 لفة/دقيقة، ومعدل التبريد 0.1 ~ 1 ℃/دقيقة، مع تبريد إجمالي لا يزيد عن 3 ~ 4 ℃ لمنع توليد بلورات طفيلية. يتم رفع البلورات من الصفحة في نهاية نمو البلورات وخفضها إلى درجة حرارة الغرفة بمعدل 15 ~ 25 درجة مئوية/ساعة. يجب الحرص على ألا يكون معدل التبريد بطيئًا للغاية بحيث يصبح الذوبان زجاجيًا بسرعة؛ ولتجنب التدفق الزائد للبلورات المتوسعة التي تلتف حول البلورات.
الخاتمة
تتمتع BBO وBIBO بخصائص بصرية غير خطية بسبب تركيبها البلوري، والتي يمكن استخدامها في الليزر والأجهزة الكهروضوئية وأجهزة التحويل البصري الأخرى. يحتوي BBO على معامل بصري غير خطي أكبر، والذي يمكن أن يحسن بشكل فعال نسبة طاقة الخرج إلى الدخل للجهاز، ويقلل من متطلبات طاقة الإدخال للجهاز البصري ويوسع نطاق تطبيق المادة؛ بينما يحتوي BIBO على معامل بصري غير خطي أكثر اعتدالاً BIBO لديه معامل بصري غير خطي معتدل وثبات أعلى لمعامل درجة الحرارة المتغيرة، والذي يمكن أن يتجنب بشكل فعال الفقد البصري الناجم عن المادة، وفي الوقت نفسه، يكون النطاق الديناميكي للجهاز وأداء الجهاز أقل تقييدًا، كما أن الاستقرار والمتانة أعلى أيضًا.
في عملية التحضير، يتم استخدام طريقة بلورة البذرة العلوية للنمو، وتكون عملية BBO أبسط من عملية BIBO، مع متطلبات أقل قليلاً للعملية. يجب أن يعتمد الاختيار على السيناريو الذي سيتم استخدامه فيه والكفاءة التشغيلية والاستقرار والسلامة والتكلفة الإجمالية. يمكنك استشارة متخصصي SAM للحصول على المشورة والمساعدة في عملية الاختيار.
قراءة ذات صلة
مقالات أخرى في البصريات
عقيق الألومنيوم الإيتربيوم المطعَّم بالإيتربيوم
المرجع:
[1] Zi-fang J, Jing-lin Y, Patrick S, et al. [دراسة البنية المجهرية على بلورة ترايبورات البزموت وذوبانها عند درجة حرارة عالية بواسطة التحليل الطيفي لرامان]. [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. توليد الموجة الثانية التوافقي المستمر في الموجة الثانية في الأشعة فوق البنفسجية البعيدة التي يتم ضخها بواسطة صمام ليزر ثنائي أزرق. Sci Rep. 2024 فبراير 8؛ 14(1):3238. doi: 10.1038/s41598-024-53144-7. pmid: 38331948؛ pmcid: pmc10853522.
Chin Trento
