Comparative study of second harmonic generation at 1030 nm in BiBO and LBO crystals using a 100 W-class picosecond laser

Resumen Técnico: Estudio Comparativo de la Generación de Segundo Armónico en Cristales BiBO y LBO

Planteamiento del Problema
El rápido avance de los sistemas láser de picosegundos y sub-picosegundos de alta potencia promedio (por ejemplo, arquitecturas de disco delgado, fibra y placa) que operan cerca de 1030 nm ha creado una demanda crítica de etapas de conversión de frecuencia no lineal capaces de ofrecer alta eficiencia, excelente calidad de haz y estabilidad a largo plazo en la región espectral verde. Aunque el triborato de litio (LBO) ha sido durante mucho tiempo el estándar para la generación de segundo armónico (GSA) de alta potencia debido a su alto umbral de daño y baja divergencia, el triborato de bismuto (BiBO) ofrece un coeficiente no lineal efectivo significativamente mayor, permitiendo teóricamente una conversión eficiente en cristales mucho más cortos. Sin embargo, el BiBO es conocido por sus umbrales de daño más bajos, mayor absorción en la longitud de onda del segundo armónico (SA) y una mayor divergencia espacial. A pesar de estas compensaciones conocidas, las comparaciones experimentales sistemáticas entre BiBO y LBO bajo condiciones idénticas de alta potencia promedio (50+ W) y conducción en picosegundos han sido notablemente escasas. Este estudio aborda la falta de referencias cuantitativas necesarias para guiar la selección de cristales no lineales para módulos de generación de armónicos de próxima generación.

Metodología
Los autores realizaron una comparación experimental sistemática de la GSA en un solo paso en cristales BiBO y LBO utilizando un láser de disco delgado Yb:YAG de 1,3 ps, 91 kHz y 57 W de potencia promedio a 1030 nm.

• Configuración del Cristal: Se comparó un cristal BiBO de 1,5 mm de longitud (cortado para Tipo I $e+e \to o$ en el plano YZ) con un cristal LBO de 6 mm de longitud (cortado para Tipo I $o+o \to e$ en el plano XY). La mayor longitud del LBO se seleccionó para compensar su menor coeficiente no lineal, con el objetivo de lograr una salida comparable. Ambos cristales contaban con recubrimientos antirreflectantes de doble banda para 1030 nm y 515 nm y fueron operados a temperatura ambiente sin estabilización térmica activa.
• Caracterización: El estudio midió la dependencia de la potencia de salida del SA, la estabilidad de potencia a largo plazo (>1 hora), la calidad del haz ($M^2$), la duración del pulso, las propiedades espectrales y el ancho de banda de aceptación angular.
• Análisis Térmico: Se investigaron los efectos térmicos monitoreando los desplazamientos del ángulo de coincidencia de fase en función de la potencia de entrada y midiendo el aumento de temperatura superficial mediante una cámara infrarroja. Se realizaron simulaciones numéricas utilizando el software mlSNLO para validar los anchos de banda de aceptación angular y modelar la deriva térmica de la coincidencia de fase.

Resultados Clave

• Potencia de Salida y Eficiencia: Ambos cristales lograron una potencia máxima de salida del SA de 32 W a 515 nm con una eficiencia de conversión del 56% a la potencia de entrada máxima de 57 W. Esto representa la mayor potencia de salida del SA reportada hasta la fecha para BiBO en la región espectral verde utilizando un láser de disco delgado Yb:YAG.
• Dependencia de la Potencia: Mientras que el LBO mostró una saturación clara de la eficiencia, la eficiencia del BiBO continuó aumentando con la potencia de entrada, lo que sugiere que aún no había alcanzado su máximo potencial. Sin embargo, se evitó una mayor escalabilidad debido al umbral de daño más bajo del BiBO.
• Calidad del Haz: Los haces del SA exhibieron una calidad cercana al límite de difracción ($M^2 \approx 1,3–1,8$). El haz generado por BiBO fue aproximadamente un 25% más pequeño en área que el haz del LBO, atribuido a variaciones de coincidencia de fase inducidas térmicamente causadas por el perfil de intensidad gaussiano del haz fundamental.
• Duración del Pulso y Espectro: El cristal BiBO produjo pulsos ligeramente más cortos (1,1 ps frente a 1,2 ps para LBO) y anchos de banda espectrales más amplios (0,48 nm frente a 0,42 nm). Esto se atribuye al mayor ancho de banda de aceptación espectral del BiBO y a la menor acumulación de desajuste de velocidad de grupo (GVM) debido a su menor longitud de cristal.
• Estabilidad Térmica y Coincidencia de Fase:
  • BiBO: Exhibió una sensibilidad térmica significativa. Durante una hora de operación continua, la salida del SA disminuyó en ~8% (2,5 W) debido a un desajuste de fase inducido térmicamente. Reoptimizar la inclinación del cristal restauró la estabilidad. La imagen infrarroja confirmó un aumento de temperatura superficial de ~7°C, correspondiente a un desplazamiento angular interno de ~2,5 mrad.
  • LBO: Demostró una estabilidad superior con una caída de potencia de solo ~2,5% durante el mismo período, atribuida a su menor absorción a 515 nm.
• Aceptación Angular: A pesar de la aceptación intrínsecamente más estrecha del BiBO por unidad de longitud, el cristal BiBO de 1,5 mm exhibió un ancho de banda de aceptación angular comparable al del cristal LBO de 6 mm a baja potencia, e incluso mayor a potencia completa. Esto confirma que la alta no linealidad del BiBO permite cristales más cortos sin sacrificar la tolerancia angular.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma proporcionar las primeras referencias de rendimiento directas y cuantitativas que comparan BiBO y LBO bajo condiciones de alta potencia promedio y picosegundos. Los autores afirman que, aunque el BiBO permite una conversión eficiente en una huella significativamente más compacta (1,5 mm frente a 6 mm) y ofrece características de pulso/espectro ligeramente mejores, es más susceptible a la deriva de desajuste de fase inducida térmicamente. Por el contrario, el LBO sigue siendo la opción más robusta térmicamente para operaciones a largo plazo sin intervención.

El estudio concluye que ambos cristales son soluciones viables para generar luz verde a partir de láseres de picosegundos de la clase de 100 W cerca de 1030 nm. La elección óptima depende de los requisitos específicos de la aplicación: el BiBO es ventajoso para sistemas compactos y de alta eficiencia (potencialmente con control activo de temperatura), mientras que el LBO se prefiere para aplicaciones que priorizan la estabilidad térmica a largo plazo y la mínima deriva de potencia. Los resultados sirven como guía para la selección de cristales no lineales en el diseño de módulos de conversión de frecuencia de próxima generación.