BBO結晶、第2高調波発生用


  • Tunable Fundamental and Second Harmonic Wavelengths
  • Ultrathin Contacted Crystals Down to 30 µm Thick
  • Free-Standing Crystals Up to 3 mm Thick
  • Ø5.0 mm Aperture in a Ø1" Housing

NCL01

NLC01

0.15 mm Thick, θ = 30.5°, 5.0 mm Aperture

When one of these β-BBO Crystals is mounted in the RSP1 mount, the crystal will be centered over the 8-32 (M4) hole in the mount's base without the need for spacers.

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Key Common Specificationsa
Materialβ-BBO (beta-BaB2O4)
ApertureØ5.0 mm
Clear Aperture> 80% of Diameter
Transmitted Wavefront Errorλ/3 @ 632.8 nm Over Clear Aperture
Surface Quality20-10 Scratch-Dig
Optic Axis Angleb Tolerance±0.5°
  • 仕様の詳細は「仕様」タブをご覧ください。
  • 結晶表面の垂線と光軸間角度
'Light from the FSL1030X2 laser passing through an NLC05 crystal.
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型番数量Description
FSL1030X21Ytterbium Femtosecond Fiber Laser, 1030 nm, 2 µJ, <130 fs Typ. Pulse Width
NLC051Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 1.00 mm Thick, θ = 23.3°, 900 - 1300 nm Fund., 450 - 650 nm SHG
RSP11Ø1インチ光学素子用回転マウント、#8-32タップ穴(インチ規格)
LA4158-B1f = 250 mm, Ø1" UVFS Plano-Convex Lens, ARC: 650 - 1050 nm
UBS241Ø1" Low-GDD Beamsplitter for Second Harmonic of Ultrafast Yb Lasers
FESH10001Ø25.0 mm Shortpass Filter, Cut-Off Wavelength: 1000 nm
PM100D1小型パワー&エネルギーメーターコンソール、デジタル4インチLCD
S350C1サーマルパワーセンサ、表面吸収体、0.19~1.1 µmおよび10.6 µm、10 mW~40 W、Ø40 mm
S425C-L1サーマルパワーセンサ、表面吸収体、0.19~20 µm、2 mW~50 W、Ø25.4 mm
LMR13Ø1インチ光学素子用レンズマウント、固定リング1個付属、#8-32タップ穴 (インチ規格)
PH33Ø1/2インチポストホルダ、バネ付き六角固定つまみネジ付き、長さ3インチ (インチ規格)
PH1.52Ø1/2インチポストホルダ、バネ付き六角固定つまみネジ付き、長さ1.50インチ (インチ規格)
TR4-P51Ø1/2インチポスト、#8-32ネジ、1/4”-20タップ穴付き、長さ4インチ、5本入り(インチ規格)
BE1-P51台座型ベースアダプタ、Ø1.25インチ、1/4”-20ネジ付き、5個入り(インチ規格)
CF125-P51クランプフォーク、31.5 mm(1.24インチ)ザグリ穴付き、5個入り(ミリ&インチ規格共用)
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型番数量Description
FSL1030X21Ytterbium Femtosecond Fiber Laser, 1030 nm, 2 µJ, <130 fs Typ. Pulse Width
NLC051Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 1.00 mm Thick, θ = 23.3°, 900 - 1300 nm Fund., 450 - 650 nm SHG
RSP1/M1Ø25 mm~Ø25.4 mm光学素子用回転マウント、M4タップ穴(ミリ規格)
LA4158-B1f = 250 mm, Ø1" UVFS Plano-Convex Lens, ARC: 650 - 1050 nm
UBS241Ø1" Low-GDD Beamsplitter for Second Harmonic of Ultrafast Yb Lasers
FESH10001Ø25.0 mm Shortpass Filter, Cut-Off Wavelength: 1000 nm
PM100D1小型パワー&エネルギーメーターコンソール、デジタル4インチLCD
S350C1サーマルパワーセンサ、表面吸収体、0.19~1.1 µmおよび10.6 µm、10 mW~40 W、Ø40 mm
S425C-L1サーマルパワーセンサ、表面吸収体、0.19~20 µm、2 mW~50 W、Ø25.4 mm
LMR1/M3Ø25 mm~Ø25.4 mm光学素子用レンズマウント、固定リング1個付属、M4タップ穴 (ミリ規格)
PH75/M3Ø12 mm~Ø12.7 mm ポストホルダ、バネ付き六角固定つまみネジ付き、長さ75 mm (ミリ規格)
PH40/M2Ø12 mm~Ø12.7 mm ポストホルダ、バネ付き六角固定つまみネジ付き、長さ40 mm (ミリ規格)
TR100/M-P51Ø12.7 mmポスト、M4ネジ、M6タップ穴付き、長さ100 mm、5本入り(ミリ規格)
BE1/M-P51台座型ベースアダプタ、Ø31.8 mm、M6ネジ付き、5個入り(ミリ規格)
CF125-P51クランプフォーク、31.5 mm(1.24インチ)ザグリ穴付き、5個入り(ミリ&インチ規格共用)

上の写真は、ファイバーレーザFSL1030X2から出射された光が結晶NLC05を透過する様子を示しています。第2高調波はビームスプリッタUBS24によってフィルタリングされています。

特長

  • β-BBO(ベータホウ酸バリウム(beta-BaB2O4))結晶は、Type Iの第2高調波発生(SHG)用に最適化されています。
  • 4種類の金属コーティング
    • 680~900 nm (基本波)および340~450 nm (SHG)
    • 700~1200 nm (基本波)および350~600 nm (SHG)
    • 900~1300 nm (基本波)および450~650 nm (SHG)
    • 1300~1700 nm (基本波)および650~850 nm (SHG)
  • 垂直入射またはそれに近い角度で規定された位相整合条件
  • 筐体には回転軸と偏光方向が刻印されています。
  • 結晶は、Ti:サファイアレーザ、エルビウム(Er)およびイッテルビウム(Yb)ファイバーレーザ用に最適化
  • フェムト秒パルスレーザに対応
  • 室温動作

当社のフェムト秒パルスレーザ用β-BBO第2高調波結晶は、幅広い波長範囲にわたりチューニング可能で、効率的な第2高調波発生(SHG)を実現します。SHGは、同じ基本波長を持つ2つの光子が、その半分の波長を持つ単一のSHG光子に変換される非線形プロセスです。これらの1軸非線形結晶は、Ti:サファイアレーザ(TiberiusOctaviusレーザなど)やfew-cycleレーザ、緑色励起&広帯域光パラメトリック発振器および増幅器(OPO、OPA)、イッテルビウムおよびエルビウムレーザーシステムの出力周波数を2倍にするためによく使用されます。

下記の各製品において推奨される最小パルス幅(持続時間)や焦点サイズなどのパルスパラメータ情報が提供されています。各結晶はARコーティング付きで、基本波および第2高調波の波長域にわたり低い反射率を示します。これらの結晶は、パルスレーザの用途に対応できるよう、典型的なパルス持続時間とスポットサイズに一致する様々な厚さ(3.00 mmの薄型~30 μmの超薄型まで)からお選びいただけます。結晶の厚さと用途のレーザーパルスパラメータが完全に一致しない場合は、最適な厚さよりも薄い方の結晶をお選びいただくことをお勧めいたします。下記掲載の非線形結晶の詳しい仕様は、「仕様」タブをご覧ください。

こちらの結晶は、開口がØ5.0 mmのØ25.4 mm筐体に取り付けられています。筐体には、Type Iのクリティカル位相整合のために、基本波ビームの偏光状態と伝搬方向に結晶をアライメント際に使用するガイドが刻印されています(下記の最適なSHGへのアライメント方法セクション参照)。位相が整合した条件下では、SHGプロセスの効率が向上するため、SHG光の強度が結晶内での伝搬距離に応じて指数関数的に増加します。適切な励起強度(10~100 GW/cm2)と組み合わせた位相整合により、10~50%の変換効率が得られます。

出射光の基本波から第2高調波を分離するには、上の写真のようにハーモニックビームスプリッタのご使用をお勧めいたします。

NLC06 Crystal in an RSP1 Rotation Mount on an RP01 Rotation Stage
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型番数量Description
NLC061Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 2.00 mm Thick, θ = 23.3°, 900 - 1300 nm Fund., 450 - 650 nm SHG
RSP11Ø1インチ光学素子用回転マウント、#8-32タップ穴(インチ規格)
RP011回転プラットフォーム(インチ規格)
TR21Ø1/2インチポスト、#8-32ネジ、1/4”-20タップ穴付き、長さ2インチ(インチ規格)
UPH21Ø12 mm~Ø12.7 mmスイベル式ポストホルダ、バネ式六角固定つまみネジ付き、長さ2インチ (インチ規格)
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型番数量Description
NLC061Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 2.00 mm Thick, θ = 23.3°, 900 - 1300 nm Fund., 450 - 650 nm SHG
RSP1/M1Ø25 mm~Ø25.4 mm光学素子用回転マウント、M4タップ穴(ミリ規格)
RP01/M1回転プラットフォーム(ミリ規格)
TR50/M1Ø12.7 mmポスト、M4ネジ、M6タップ穴付き、長さ50 mm(ミリ規格)
UPH50/M1Ø12 mm~Ø12.7 mmスイベル式ポストホルダ、バネ式六角固定つまみネジ付き、長さ50 mm (ミリ規格)

回転ステージRP01(/M)に取り付けられた回転マウントRSP1(/M)内の結晶NLC06

最適なSHGを得るためのアライメント方法
β-BBOのSHGプロセスを最適化するには、Type I位相整合は、基本波入射光の偏光を結晶の常光軸の1つに対して平行にアライメントします。次に、光軸と伝搬方向の間の角度を調整して、基本波と第2高調波の両方の光が同じ屈折率になるようにします(このプロセスは「SHGのチュートリアル」タブで解説しています)。下記の結晶では、光軸と結晶表面に対して垂直な線との間の角度θは、表に記載されている仕様の基本波長での垂直入射光(AOI = 0°)に対して位相整合が最適化されるように選択されています。さまざまな基本波に対して最適な位相整合角度を調整する方法については「仕様」タブをご覧ください。

各結晶の筐体前面には、基本波入射光(1ω)と、これにより発生する直交偏光の第2高調波光(2ω)の偏光方向が刻印されています。筐体中央を横切る線は、基本ビームの伝搬方向と結晶の光軸との間の角度を調整するために結晶を回転させる調整軸を示しています。

当社では、これらの結晶を手動式回転ステージ(型番XRNR1/Mまたは RP01/Mなど、左下の写真参照)に取り付けた回転マウントRSP1/Mに取り付けることを推奨しています。回転マウントRSP1(/M)は、結晶を基本波入射光の偏光方向にアライメントするのに有用です。さらに、結晶の筐体をマウントRSP1/Mに取り付けると、スペーサや追加の固定リングを使用せずに結晶をマウント底面にあるM4ネジ穴の中心に配置することができます。これにより、結晶を回転ステージRP01/Mの中心に取り付けることができ、位相整合角を最適化するために必要な入射角の微調整が可能となります。この例の場合、結晶は垂直に偏光された基本波入射ビームに向かって配置され、出射される第2高調波光は水平に偏光されます。

使用および取扱い方法
結晶の取扱いは慎重に行い、常に手袋を装着してください。結晶は傷つきやすく、吸湿性の素材でできています。そのため、高湿度環境などにおける湿気から保護する必要があります。クリーニングは、必要に応じて、清潔で乾燥した空気のみを軽く吹きかけることをお勧めします。手順については、光学素子の取扱いについてのチュートリアル光学素子の表面から異物等を吹き飛ばすセクションで詳しく説明されています。

Item #NLC01NLC02NLC03NLC08NLC09NLC04NLC05NLC06NLC07
Crystal Thickness0.15 mm0.30 mm0.60 mm30 μm75 μm0.50 mm1.00 mm2.00 mm3.00 mm
Crystal Thickness Tolerance±0.02 mm±0.05 mm+0 μm / -5 μm+0 μm / -11 μm±0.05 mm
Angle of Optic Axis (θ)a30.5°29.2°23.3°19.8°
Tuning Angle vs. WavelengthIcon
Raw Data
Optic Axis Angle (θ)a Tolerance±0.5°
Fundamental Wavelength (1ω)AOI = 0°770 nm800 nm1030 nm1550 nm
AOI Tuned680 - 900 nm700 - 1200 nm900 - 1300 nm1300 - 1700 nm
SHG Wavelength (2ω)AOI = 0°385 nm400 nm515 nm775 nm
AOI Tuned340 - 450 nm350 - 600 nm450 - 650 nm650 - 850 nm
Minimum Recommended Focal Spot Size (1/e2 Diameter)b25 µm50 µm100 µm6 µm12 µm70 µm140 µm280 µm360 µm
Circularity vs. Fundamental Mode Field Diameter (MFD)cIcon
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Raw Data
Minimum Recommended Pulse Duration (FWHM)b30 fs60 fs120 fs5.5 fs14 fs50 fs100 fs200 fs15 fs
Minimum Fundamental Pulse Duration vs.
Fundamental Wavelength
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Raw Data
Phase Matching Bandwidth (FWHM)b34 nm17 nm8 nm165 nm65 nm30 nm15 nm7 nm97 nm
Phase Matching Bandwidth vs.
Fundamental Wavelength
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Raw Data
ApertureØ5.0 mm
Clear Aperture> 80% of Diameter
Mount Diameter1" (25.4 mm)
AR Coating Range340 - 450 nm and 680 - 900 nm650 - 1300 nm450 - 650 nm and 900 - 1300 nm650 - 850 nm and
1300 - 1700 nm
Reflectance Over Coating Range (Avg.)< 4% at 0° AOI< 1.25% at 0° AOI, Single-Layer AR Coating on One Face Only< 3% at 0° AOI< 4% at 0° AOI, Single-Layer AR Coating on Both Faces
AR Coating CurveIcon
Raw Data
Icon
Raw Data
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Raw Data
Icon
Raw Data
SubstrateN/AUV Fused Silica: Thickness = 2.5 mm,
Wedge Angle = 30 arcmin
N/A
Laser Induced Damage Thresholdd0.5 J/cm2 (800 nm, 98 fs FWHM, S-Pol,
104 Pulses)
0.8 J/cm2 (800 nm, 100 fs FWHM, S-Pol,
104 Pulses)
0.3 J/cm2 (1030 nm, 190 fs FWHM, S-Pol,
105 Pulses)
0.6 J/cm2 (1550 nm, 52 fs FWHM,
S-Pol, 104 Pulses)
Surface Quality20-10 Scratch-Dig
Transmitted Wavefront Errorλ/3 @ 632.8 nm Over Clear Aperture
  • 結晶表面の垂線と光軸間角度
  • 基本波長が800 nm(型番NLC01、NLC02、NLC03、NLC08、NLC09)、1030 nm(型番NLC04、 NLC05、NLC06)、1550 nm(型番NLC07)の入射光を仮定
  • SHG出力ビームは、特定の入力基本スポットサイズを下回ると次第に楕円形になります。
  • 超短パルスレーザ用光学素子のレーザ損傷閾値(LIDT)の値は、所定のパルス数で視認可能な損傷を与える、(1パルスあたりの)フルエンスで定義されています。しかし、超短パルス領域では損傷閾値は保証されておりません。これらの値は参考用としてご提供しております。
Physical and Optical Properties
Materialβ-BBO (beta-BaB2O4)
Crystal StructureTrigonal, Space Group R3c
Transparency Range189 - 3500 nm
Second-Order Nonlinear Coefficientsd21 = 2.2 pm/V
d31 = 0.08 pm/V
d22 = 2.2 pm/V
Nonlinear Refractive Index (Kerr Index)a4.9 x 10−20 m2/W @ 1032 nm
Sellmeier CofficientsbOrdinary RaySellmeier b-BBO n_o
Extraordinary RaySellmeier b-BBO n_e
Thermal Condutivity1.2 W / m ⋅ K (⊥ C)
1.6 W / m ⋅ K (|| C)
Mohs Hardness4.5 Mohs
Density3.85 g/cm3
  • M. Bache, H. Guo, B. Zhou, and X. Zeng, "The anisotropic Kerr nonlinear refractive index of the beta-barium borate (β-BaB2O4) nonlinear crystal," Optical Materials Express,& 3(3), 357-382 (2013).
  • G. Tamošauskas, G. Beresnevicius, D. Gadonas, and A. Dubietis,"Transmittance and phase matching of BBO crystal in the 3 − 5 μm range and its application for the characterization of mid-infrared laser pulses," Optical Materials Express, 8(6), 1410-1418 (2018).

第2高調波発生と位相整合

β-BBO結晶によって発生する第2高調波の強度とビーム品質を最適化するには、入射するパルスレーザのパルス持続時間(パルス幅)に適した結晶の厚さを選択し、集光スポットサイズを焦点領域における得失のバランスを考慮して決定し、位相整合を最適化する必要があります。これらについては、「仕様」タブ内のグラフに簡潔な説明が記載されています。グラフ化されたデータを解釈したり、第2高調波光を生成するうえで結晶をより効果的に使用したりするのに役立つ情報や背景については、以下の各セクションを展開してご覧ください。

質問をクリックするとそのセクションが展開して説明が表示されます。元に戻すにはもう一度クリックしてください。各質問に対する回答では、前のセクションでの説明を参照しています。

Damage Threshold Specificationsa
Item #Damage Threshold
NLC010.5 J/cm2 (800 nm, 98 fs FWHM, S-Pol, 104 Pulses)
NLC02
NLC03
NLC080.8 J/cm2 (800 nm, 100 fs FWHM, S-Pol, 104 Pulses)
NLC09
NLC040.3 J/cm2 (1030 nm, 190 fs FWHM, S-Pol, 105 Pulses)
NLC05
NLC06
NLC070.6 J/cm2 (1550 nm, 52 fs FWHM, S-Pol, 104 Pulses)
  • 超短パルスレーザ用光学素子のレーザ損傷閾値(LIDT)の値は、所定のパルス数で視認可能な損傷を与える、(1パルスあたりの)フルエンスで定義されています。しかし、超短パルス領域では損傷閾値は保証されておりません。これらの値は参考用としてご提供しております。

当社のβ-BBO結晶の損傷閾値データ

右の仕様は当社の第2高調波発生用β-BBO結晶の測定データです。

 

レーザによる損傷閾値について

このチュートリアルでは、レーザ損傷閾値がどのように測定され、使用する用途に適切な光学素子の決定にその値をどのようにご利用いただけるかを総括しています。お客様のアプリケーションにおいて、光学素子を選択する際、光学素子のレーザによる損傷閾値(Laser Induced Damage Threshold :LIDT)を知ることが重要です。光学素子のLIDTはお客様が使用するレーザの種類に大きく依存します。連続(CW)レーザは、通常、吸収(コーティングまたは基板における)によって発生する熱によって損傷を引き起こします。一方、パルスレーザは熱的損傷が起こる前に、光学素子の格子構造から電子が引き剥がされることによって損傷を受けます。ここで示すガイドラインは、室温で新品の光学素子を前提としています(つまり、スクラッチ&ディグ仕様内、表面の汚染がないなど)。光学素子の表面に塵などの粒子が付くと、低い閾値で損傷を受ける可能性があります。そのため、光学素子の表面をきれいで埃のない状態に保つことをお勧めします。光学素子のクリーニングについては「光学素子クリーニングチュートリアル」をご参照ください。

テスト方法

当社のLIDTテストは、ISO/DIS 11254およびISO 21254に準拠しています。

初めに、低パワー/エネルギのビームを光学素子に入射します。その光学素子の10ヶ所に1回ずつ、設定した時間(CW)またはパルス数(決められたprf)、レーザを照射します。レーザを照射した後、倍率約100倍の顕微鏡を用いた検査で確認し、すべての確認できる損傷を調べます。特定のパワー/エネルギで損傷のあった場所の数を記録します。次に、そのパワー/エネルギを増やすか減らすかして、光学素子にさらに10ヶ所レーザを照射します。このプロセスを損傷が観測されるまで繰返します。損傷閾値は、光学素子が損傷に耐える、損傷が起こらない最大のパワー/エネルギになります。1つのミラーBB1-E02の試験結果は以下のようなヒストグラムになります。

LIDT metallic mirror
上の写真はアルミニウムをコーティングしたミラーでLIDTテストを終えたものです。このテストは、損傷を受ける前のレーザのエネルギは0.43 J/cm2 (1064 nm、10 ns pulse、 10 Hz、Ø1.000 mm)でした。
LIDT BB1-E02
Example Test Data
Fluence# of Tested LocationsLocations with DamageLocations Without Damage
1.50 J/cm210010
1.75 J/cm210010
2.00 J/cm210010
2.25 J/cm21019
3.00 J/cm21019
5.00 J/cm21091

試験結果によれば、ミラーの損傷閾値は 2.00 J/cm2 (532 nm、10 ns pulse、10 Hz、 Ø0.803 mm)でした。尚、汚れや汚染によって光学素子の損傷閾値は大幅に低減されるため、こちらの試験はクリーンな光学素子で行っています。また、特定のロットのコーティングに対してのみ試験を行った結果ではありますが、当社の損傷閾値の仕様は様々な因子を考慮して、実測した値よりも低めに設定されており、全てのコーティングロットに対して適用されています。

CWレーザと長パルスレーザ

光学素子がCWレーザによって損傷を受けるのは、通常バルク材料がレーザのエネルギを吸収することによって引き起こされる溶解、あるいはAR(反射防止)コーティングのダメージによるものです[1]。1 µsを超える長いパルスレーザについてLIDTを論じる時は、CWレーザと同様に扱うことができます。

パルス長が1 nsと1 µs の間のときは、損傷は吸収、もしくは絶縁破壊のどちらかで発生していると考えることができます(CWとパルスのLIDT両方を調べなければなりません)。吸収は光学素子の固有特性によるものか、表面の不均一性によるものかのどちらかによって起こります。従って、LIDTは製造元の仕様以上の表面の質を有する光学素子にのみ有効です。多くの光学素子は、ハイパワーCWレーザで扱うことができる一方、アクロマティック複レンズのような接合レンズやNDフィルタのような高吸収光学素子は低いCWレーザ損傷閾値になる傾向にあります。このような低い損傷閾値は接着剤や金属コーティングにおける吸収や散乱によるものです。

Linear Power Density Scaling

線形パワー密度におけるLIDTに対するパルス長とスポットサイズ。長パルス~CWでは線形パワー密度はスポットサイズにかかわらず一定です。 このグラフの出典は[1]です。

Intensity Distribution

繰返し周波数(prf)の高いパルスレーザは、光学素子に熱的損傷も引き起こします。この場合は吸収や熱拡散率のような因子が深く関係しており、残念ながらprfの高いレーザが熱的影響によって光学素子に損傷を引き起こす場合の信頼性のあるLIDTを求める方法は確立されておりません。prfの大きいビームでは、平均出力およびピークパワーの両方を等しいCW出力と比較する必要があります。また、非常に透過率の高い材料では、prfが上昇してもLIDTの減少は皆無かそれに近くなります。

ある光学素子の固有のCWレーザの損傷閾値を使う場合には、以下のことを知る必要があります。

  1. レーザの波長
  2. ビーム径(1/e2)
  3. ビームのおおよその強度プロファイル(ガウシアン型など)
  4. レーザのパワー密度(トータルパワーをビームの強度が1/e2の範囲の面積で割ったもの)

ビームのパワー密度はW/cmの単位で計算します。この条件下では、出力密度はスポットサイズとは無関係になります。つまり、スポットサイズの変化に合わせてLIDTを計算し直す必要がありません(右グラフ参照)。平均線形パワー密度は、下の計算式で算出できます。

ここでは、ビーム強度プロファイルは一定であると仮定しています。次に、ビームがホットスポット、または他の不均一な強度プロファイルの場合を考慮して、おおよその最大パワー密度を計算する必要があります。ご参考までに、ガウシアンビームのときはビームの強度が1/e2の2倍のパワー密度を有します(右下図参照)。

次に、光学素子のLIDTの仕様の最大パワー密度を比較しましょう。損傷閾値の測定波長が光学素子に使用する波長と異なっている場合には、その損傷閾値は適宜補正が必要です。おおよその目安として参考にできるのは、損傷閾値は波長に対して比例関係であるということです。短い波長で使う場合、損傷閾値は低下します(つまり、1310 nmで10 W/cmのLIDTならば、655 nmでは5 W/cmと見積もります)。

CW Wavelength Scaling

この目安は一般的な傾向ですが、LIDTと波長の関係を定量的に示すものではありません。例えば、CW用途では、損傷はコーティングや基板の吸収によってより大きく変化し、必ずしも一般的な傾向通りとはなりません。上記の傾向はLIDT値の目安として参考にしていただけますが、LIDTの仕様波長と異なる場合には当社までお問い合わせください。パワー密度が光学素子の補正済みLIDTよりも小さい場合、この光学素子は目的の用途にご使用いただけます。

当社のウェブ上の損傷閾値の仕様と我々が行った実際の実験の値の間にはある程度の差があります。これはロット間の違いによって発生する誤差を許容するためです。ご要求に応じて、当社は個別の情報やテスト結果の証明書を発行することもできます。損傷解析は、類似した光学素子を用いて行います(お客様の光学素子には損傷は与えません)。試験の費用や所要時間などの詳細は、当社までお問い合わせください。

パルスレーザ

先に述べたように、通常、パルスレーザはCWレーザとは異なるタイプの損傷を光学素子に引き起こします。パルスレーザは損傷を与えるほど光学素子を加熱しませんが、光学素子から電子をひきはがします。残念ながら、お客様のレーザに対して光学素子のLIDTの仕様を照らし合わせることは非常に困難です。パルスレーザのパルス幅に起因する光学素子の損傷には、複数の形態があります。以下の表中のハイライトされた列は当社の仕様のLIDT値が当てはまるパルス幅に対する概要です。

パルス幅が10-9 sより短いパルスについては、当社の仕様のLIDT値と比較することは困難です。この超短パルスでは、多光子アバランシェ電離などのさまざまなメカニクスが損傷機構の主流になります[2]。対照的に、パルス幅が10-7 sと10-4 sの間のパルスは絶縁破壊、または熱的影響により光学素子の損傷を引き起こすと考えられます。これは、光学素子がお客様の用途に適しているかどうかを決定するために、レーザービームに対してCWとパルス両方による損傷閾値を参照しなくてはならないということです。

Pulse Durationt < 10-9 s10-9 < t < 10-7 s10-7 < t < 10-4 st > 10-4 s
Damage MechanismAvalanche IonizationDielectric BreakdownDielectric Breakdown or ThermalThermal
Relevant Damage SpecificationNo Comparison (See Above)PulsedPulsed and CWCW

お客様のパルスレーザに対してLIDTを比較する際は、以下のことを確認いただくことが重要です。

Energy Density Scaling

エネルギ密度におけるLIDTに対するパルス長&スポットサイズ。短パルスでは、エネルギ密度はスポットサイズにかかわらず一定です。このグラフの出典は[1]です。

  1. レーザの波長
  2. ビームのエネルギ密度(トータルエネルギをビームの強度が1/e2の範囲の面積で割ったもの)
  3. レーザのパルス幅
  4. パルスの繰返周波数(prf)
  5. 実際に使用するビーム径(1/e2 )
  6. ビームのおおよその強度プロファイル(ガウシアン型など)

ビームのエネルギ密度はJ/cm2の単位で計算します。右のグラフは、短パルス光源には、エネルギ密度が適した測定量であることを示しています。この条件下では、エネルギ密度はスポットサイズとは無関係になります。つまり、スポットサイズの変化に合わせてLIDTを計算し直す必要がありません。ここでは、ビーム強度プロファイルは一定であると仮定しています。ここで、ビームがホットスポット、または他の不均一な強度プロファイルの場合を考慮して、おおよその最大パワー密度を計算する必要があります。ご参考までに、ガウシアンビームのときは一般にビームの強度が1/e2のときの2倍のパワー密度を有します。

次に、光学素子のLIDTの仕様と最大エネルギ密度を比較しましょう。損傷閾値の測定波長が光学素子に使用する波長と異なっている場合には、その損傷閾値は適宜補正が必要です[3]。経験則から、損傷閾値は波長に対して以下のような平方根の関係であるということです。短い波長で使う場合、損傷閾値は低下します(例えば、1064 nmで 1 J/cm2のLIDTならば、532 nmでは0.7 J/cm2と計算されます)。

Pulse Wavelength Scaling

 

波長を補正したエネルギ密度を得ました。これを以下のステップで使用します。

ビーム径は損傷閾値を比較する時にも重要です。LIDTがJ/cm2の単位で表される場合、スポットサイズとは無関係になりますが、ビームサイズが大きい場合、LIDTの不一致を引き起こす原因でもある不具合が、より明らかになる傾向があります[4]。ここで示されているデータでは、LIDTの測定には<1 mmのビーム径が用いられています。ビーム径が5 mmよりも大きい場合、前述のようにビームのサイズが大きいほど不具合の影響が大きくなるため、LIDT (J/cm2)はビーム径とは無関係にはなりません。

次に、パルス幅について補正します。パルス幅が長くなるほど、より大きなエネルギに光学素子は耐えることができます。パルス幅が1~100 nsの場合の近似式は以下のようになります。

Pulse Length Scaling

お客様のレーザのパルス幅をもとに、光学素子の補正されたLIDTを計算するのにこの計算式を使います。お客様の最大エネルギ密度が、この補正したエネルギ密度よりも小さい場合、その光学素子はお客様の用途でご使用いただけます。ご注意いただきたい点は、10-9 s と10-7 sの間のパルスにのみこの計算が使えることです。パルス幅が10-7 sと10-4 sの間の場合には、CWのLIDTも調べなければなりません。

当社のウェブ上の損傷閾値の仕様と我々が行った実際の実験の値の間にはある程度の差があります。これはロット間の違いによって発生する誤差を許容するためです。ご要求に応じて、当社では個別のテスト情報やテスト結果の証明書を発行することも可能です。詳細は、当社までお問い合わせください。


[1] R. M. Wood, Optics and Laser Tech. 29, 517 (1997).
[2] Roger M. Wood, Laser-Induced Damage of Optical Materials (Institute of Physics Publishing, Philadelphia, PA, 2003).
[3] C. W. Carr et al., Phys. Rev. Lett. 91, 127402 (2003).
[4] N. Bloembergen, Appl. Opt. 12, 661 (1973).

レーザーシステムが光学素子に損傷を引き起こすかどうか判断するプロセスを説明するために、レーザによって引き起こされる損傷閾値(LIDT)の計算例をいくつかご紹介します。同様の計算を実行したい場合には、右のボタンをクリックしてください。計算ができるスプレッドシートをダウンロードいただけます。ご使用の際には光学素子のLIDTの値と、レーザーシステムの関連パラメータを緑の枠内に入力してください。スプレッドシートでCWならびにパルスの線形パワー密度、ならびにパルスのエネルギ密度を計算できます。これらの値はスケーリング則に基づいて、光学素子のLIDTの調整スケール値を計算するのに用いられます。計算式はガウシアンビームのプロファイルを想定しているため、ほかのビーム形状(均一ビームなど)には補正係数を導入する必要があります。 LIDTのスケーリング則は経験則に基づいていますので、確度は保証されません。なお、光学素子やコーティングに吸収があると、スペクトル領域によってLIDTが著しく低くなる場合があります。LIDTはパルス幅が1ナノ秒(ns)未満の超短パルスには有効ではありません。

Intensity Distribution
ガウシアンビームの最大強度は均一ビームの約2倍です。

CWレーザの例
波長1319 nm、ビーム径(1/e2)10 mm、パワー0.5 Wのガウシアンビームを生成するCWレーザーシステム想定します。このビームの平均線形パワー密度は、全パワーをビーム径で単純に割ると0.5 W/cmとなります。

CW Wavelength Scaling

しかし、ガウシアンビームの最大パワー密度は均一ビームの約2倍です(右のグラフ参照)。従って、システムのより正確な最大線形パワー密度は1 W/cmとなります。

アクロマティック複レンズAC127-030-CのCW LIDTは、1550 nmでテストされて350 W/cmとされています。CWの損傷閾値は通常レーザ光源の波長に直接スケーリングするため、LIDTの調整値は以下のように求められます。

CW Wavelength Scaling

LIDTの調整値は350 W/cm x (1319 nm / 1550 nm) = 298 W/cmと得られ、計算したレーザーシステムのパワー密度よりも大幅に高いため、この複レンズをこの用途に使用しても安全です。

ナノ秒パルスレーザの例:パルス幅が異なる場合のスケーリング
出力が繰返し周波数10 Hz、波長355 nm、エネルギ1 J、パルス幅2 ns、ビーム径(1/e2)1.9 cmのガウシアンビームであるNd:YAGパルスレーザーシステムを想定します。各パルスの平均エネルギ密度は、パルスエネルギをビームの断面積で割って求めます。

Pulse Energy Density

上で説明したように、ガウシアンビームの最大エネルギ密度は平均エネルギ密度の約2倍です。よって、このビームの最大エネルギ密度は約0.7 J/cm2です。

このビームのエネルギ密度を、広帯域誘電体ミラーBB1-E01のLIDT 1 J/cm2、そしてNd:YAGレーザーラインミラーNB1-K08のLIDT 3.5 J/cm2と比較します。LIDTの値は両方とも、波長355 nm、パルス幅10 ns、繰返し周波数10 Hzのレーザで計測しました。従って、より短いパルス幅に対する調整を行う必要があります。 1つ前のタブで説明したようにナノ秒パルスシステムのLIDTは、パルス幅の平方根にスケーリングします:

Pulse Length Scaling

この調整係数により広帯域誘電体ミラーBB1-E01のLIDTは0.45 J/cm2に、Nd:YAGレーザーラインミラーのLIDTは1.6 J/cm2になり、これらをビームの最大エネルギ密度0.7 J/cm2と比較します。広帯域ミラーはレーザによって損傷を受ける可能性があり、より特化されたレーザーラインミラーがこのシステムには適していることが分かります。

ナノ秒パルスレーザの例:波長が異なる場合のスケーリング
波長1064 nm、繰返し周波数2.5 Hz、パルスエネルギ100 mJ、パルス幅10 ns、ビーム径(1/e2)16 mmのレーザ光を、NDフィルタで減衰させるようなパルスレーザーシステムを想定します。これらの数値からガウシアン出力における最大エネルギ密度は0.1 J/cm2になります。Ø25 mm、OD 1.0の反射型NDフィルタ NDUV10Aの損傷閾値は355 nm、10 nsのパルスにおいて0.05 J/cm2で、同様の吸収型フィルタ NE10Aの損傷閾値は532 nm、10 nsのパルスにおいて10 J/cm2です。1つ前のタブで説明したように光学素子のLIDTは、ナノ秒パルス領域では波長の平方根にスケーリングします。

Pulse Wavelength Scaling

スケーリングによりLIDTの調整値は反射型フィルタでは0.08 J/cm2、吸収型フィルタでは14 J/cm2となります。このケースでは吸収型フィルタが光学損傷を防ぐには適した選択肢となります。

マイクロ秒パルスレーザの例
パルス幅1 µs、パルスエネルギ150 µJ、繰返し周波数50 kHzで、結果的にデューティーサイクルが5%になるレーザーシステムについて考えてみます。このシステムはCWとパルスレーザの間の領域にあり、どちらのメカニズムでも光学素子に損傷を招く可能性があります。レーザーシステムの安全な動作のためにはCWとパルス両方のLIDTをレーザーシステムの特性と比較する必要があります。

この比較的長いパルス幅のレーザが、波長980 nm、ビーム径(1/e2)12.7 mmのガウシアンビームであった場合、線形パワー密度は5.9 W/cm、1パルスのエネルギ密度は1.2 x 10-4 J/cm2となります。これをポリマーゼロオーダ1/4波長板WPQ10E-980のLIDTと比較してみます。CW放射に対するLIDTは810 nmで5 W/cm、10 nsパルスのLIDTは810 nmで5 J/cm2です。前述同様、光学素子のCW LIDTはレーザ波長と線形にスケーリングするので、CWの調整値は980 nmで6 W/cmとなります。一方でパルスのLIDTはレーザ波長の平方根とパルス幅の平方根にスケーリングしますので、1 µsパルスの980 nmでの調整値は55 J/cm2です。光学素子のパルスのLIDTはパルスレーザのエネルギ密度よりはるかに大きいので、個々のパルスが波長板を損傷することはありません。しかしレーザの平均線形パワー密度が大きいため、高出力CWビームのように光学素子に熱的損傷を引き起こす可能性があります。


Posted Comments:
Emek Durmusoglu  (posted 2024-01-24 16:38:26.327)
Dear Thorlabs Technical Support, We have a Coherent VITARA-STi:S femtosecond laser (https://www.coherent.com/lasers/oscillators/vitara). The laser generates a beam at 800 nm and we want to use second-harmonic at 400 nm. Could you help us with the selection of the right BBO crystal for this purpose? Thank you. Best Regards, Emek Durmusoglu
jpolaris  (posted 2024-01-30 04:27:29.0)
Thank you for contacting Thorlabs. Given the < 20 fs pulse width that is specified for the Coherent laser that you have linked, you would be limited to either NLC08 or NLC09 from our catalog because NLC07 is not designed for 800 nm sources. It appears that both NLC08 and NLC09 have minimum recommended pulse widths that are less than the 20 fs pulse width of your laser. However, since conversion efficiency increases exponentially with crystal thickness, NLC09 is likely to give you the highest SHG intensity. I highly recommend that you verify that the specified "< 20 fs" pulse width is not actually lower than the 14 fs minimum recommended pulse width of NLC09.
runze liang  (posted 2023-08-01 12:36:10.393)
In the second harmonic generation tutorial, when explaining the relationship between refractive index and polarization direction, the discrete Angle between D and E is not considered, and D is perpendicular to K instead of E, is there a problem?
jpolaris  (posted 2023-08-08 06:58:31.0)
You are correct that the electric displacement vector (D) is orthogonal to the k-vector. The angle between the electric field vector (E) and the electric displacement vector (D) that you are referring to is explained by Poynting vector walk-off during second harmonic generation (also referred to as spatial walk-off). We can make a note clarifying this point. Thank you for your feedback!
YIHAUN SHI  (posted 2023-07-16 17:43:14.99)
请问你们NLC01-03这三款产品中,3dB转换光谱带宽最宽的是哪一款?3dB转换光谱带宽的范围是从哪个波长到哪个波长?谢谢
jpolaris  (posted 2023-07-21 02:53:49.0)
English Translation: Between NLC01, NLC02, and NLC03, which one has the widest 3 dB conversion spectral bandwidth? What is the range of its 3 dB conversion spectral bandwidth? Thank you for contacting Thorlabs. The NLC01 will have the broader phase matching bandwidth. At 800 nm, the phase matched SHG bandwidth is 33 nm FWHM, which equates to a Gaussian pulse 30 fs in duration. If instead, it is a series of pulses over a wide range of wavelengths with > 30 fs durations, then NLC01 will work well. The 33 nm figure assumes a fixed angle between the crystal and input laser, i.e., for a particular pulse. Our technical support team local to your region will reach out to you directly to discuss this further.
Benjamin Soloway  (posted 2023-05-31 22:15:14.65)
Hi, I was wondering if it's possible for you to produce a BBO crystal with a custom coating at 532nm fundamental and 266nm second harmonic generation. Best, Ben
jpolaris  (posted 2023-06-02 01:47:43.0)
Hello, thank you for contacting Thorlabs. The wavelength ranges of the antireflective coatings on these β-BBO crystals align with the respective wavelength bands that these crystals are optimized for. Requests for customizations can be made by reaching out to us at techsupport@thorlabs.com
YIHAUN SHI  (posted 2023-05-25 18:00:25.59)
请问你们NLC07这款晶体的转换带宽为多大?即在固定的输入角度下,最大的3db转换带宽
jpolaris  (posted 2023-05-30 04:44:13.0)
Hello, thank you for contacting Thorlabs. The 3 dB conversion bandwidth for NLC07 is 185 nm, with a center-wavelength of 1520 nm.
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BBO結晶、680~900 nm (基本波)および340~450 nm (SHG)

Key Specifications for SHG Applicationsa
Item #NLC01NLC02NLC03
Crystal Thickness0.15 mm0.30 mm0.60 mm
Angle of Optic Axis (θ)b30.5°
AR Coating Rangec340 - 450 nm and 680 - 900 nm
Reflectance Over Coating Range (Avg.)< 4% at 0° AOI
Fundamental Wavelength
(1ω)
AOI = 0°770 nm
AOI Tunedc680 - 900 nm
SHG Wavelength
(2ω)
AOI = 0°385 nm
AOI Tuned340 - 450 nm
Minimum Recommended Focal Spot Size
(1/e2 Diameter)c,d
25 µm50 µm100 µm
Minimum Recommended Pulse Duration (FWHM)c,d30 fs60 fs120 fs
Phase Matching Bandwidth (FWHM)c,d34 nm17 nm8 nm
  • 仕様の詳細については、「仕様」タブをご参照ください。
  • 結晶表面の垂線と光軸間角度
  • 性能グラフは「仕様」タブ内でご覧いただけます。
  • 入射光は800 nmの基本波長を仮定
  • 340~450 nmおよび680~900 nmのARコーティングが施されたマウント済みの結晶
  • Ti:サファイアレーザに対応

こちらのβ-BBO結晶では、波長範囲680~900 nmの入射ビームから340~450 nmの第2高調波発生(SHG)光を得られます。厚さは0.15、0.30、0.60 mmからお選びいただけ、基本波および第2高調波の波長範囲にわたって表面反射を低減するためにARコーティングが施されています。これらのマウント済みの結晶を使用して、TiberiusレーザのようなTi:サファイアレーザの出力周波数を2倍にすることができます。

+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
NLC01 Support Documentation
NLC01Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 0.15 mm Thick, θ = 30.5°, 680 - 900 nm Fund., 340 - 450 nm SHG
¥76,857
7-10 Days
NLC02 Support Documentation
NLC02Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 0.30 mm Thick, θ = 30.5°, 680 - 900 nm Fund., 340 - 450 nm SHG
¥76,857
7-10 Days
NLC03 Support Documentation
NLC03Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 0.60 mm Thick, θ = 30.5°, 680 - 900 nm Fund., 340 - 450 nm SHG
¥76,857
Today
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BBO結晶、700~1200 nm (基本波)および350~600 nm (SHG)

Key Specifications for SHG Applicationsa
Item #NLC08NLC09
Crystal Thickness30 μm75 μm
Angle of Optic Axis (θ)b29.2°
AR Coating Rangec650 - 1300 nm
Reflectance Over Coating Range (Avg.)< 1.25% at 0° AOI,
Single-Layer Coating,
One Side Only
Fundamental Wavelength
(1ω)
AOI = 0°800 nm
AOI Tunedc700 - 1200 nm
SHG Wavelength
(2ω)
AOI = 0°400 nm
AOI Tuned350 - 600 nm
Minimum Recommended Focal Spot Size (1/e2 Diameter)c,d6 µm12 µm
Minimum Recommended Pulse Duration (FWHM)c,d5.5 fs14 fs
Phase Matching Bandwidth (FWHM)c,d165 nm65 nm
SubstrateUV Fused Silica:
Thickness = 2.5 mm,
Wedge Angle = 30 arcmin
  • 仕様の詳細は「仕様」タブをご覧ください。
  • 結晶表面の垂線と光軸間の角度
  • 性能グラフは「仕様」タブ内でご覧いただけます。
  • 入射光は800 nmの基本波長を仮定

こちらの超薄型のβ-BBO結晶では、波長範囲350~600 nmの入射ビームから700 to 1200 nmの第2高調波発生(SHG)光を得られます。30 μmまたは75 μmの厚さでご用意しており、接着剤なしのオプティカルコンタクトにより厚さ2.5 mmのUV溶融石英(UVFS)に接合されています。結晶の入射面に施されている単層のARコーティングは、基本波長範囲のみ表面反射を低減するよう設計されています。ほかの界面(β-BBO/UVFS)と出射面(UVFS/空気)はコーティングされていません。帯域幅が広いためこちらのマウント付き結晶は、広帯域イッテルビウムレーザ、広帯域光パラメトリック増幅器システム、few-cycleレーザ、オクターブ帯域近くに渡るOctaviusレーザなどのTi:サファイアレーザの出力周波数を2倍にするためにご使用いただけます。

+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
NLC08 Support Documentation
NLC08Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 30 μm Thick, θ = 29.2°, 700 - 1200 nm Fund., 350 - 600 nm SHG
¥111,792
7-10 Days
NLC09 Support Documentation
NLC09Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 75 μm Thick, θ = 29.2°, 700 - 1200 nm Fund., 350 - 600 nm SHG
¥104,805
7-10 Days
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BBO結晶、900~1300 nm (基本波)および450~650 nm (SHG)

Key Specifications for SHG Applicationsa
Item #NLC04NLC05NLC06
Crystal Thickness0.50 mm1.00 mm2.00 mm
Angle of Optic Axis (θ)b23.3°
AR Coating Rangec450 - 650 nm and 900 - 1300 nm
Reflectance Over Coating Range (Avg.)< 3% at 0° AOI
Fundamental Wavelength
(1ω)
AOI = 0°1030 nm
AOI Tunedc900 - 1300 nm
SHG Wavelength
(2ω)
AOI = 0°515 nm
AOI Tuned450 - 650 nm
Minimum Recommended Focal Spot Size
(1/e2 Diameter)c,d
70 µm140 µm280 µm
Minimum Recommended Pulse Duration (FWHM)c,d50 fs100 fs200 fs
Phase Matching Bandwidth (FWHM)c,d30 nm15 nm7 nm
  • 仕様の詳細については、「仕様」タブをご参照ください。
  • 結晶表面の垂線と光軸間角度
  • 性能グラフは「仕様」タブ内でご覧いただけます。
  • 入射光は1030 nmの基本波長を仮定

こちらのβ-BBO結晶は、波長範囲900~1300 nmの入射ビームから450~650 nmの第2高調波発生(SHG)光を得られます。厚さは0.50、1.00または2.00 mmからお選びいただけ、基本波および第2高調波の範囲にわたって表面反射を低減するためにARコーティングが施されています。これらのマウント済みの結晶を使用して、イッテルビウム(Yb)レーザの出力周波数を2倍にすることができます。

+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
NLC04 Support Documentation
NLC04Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 0.50 mm Thick, θ = 23.3°, 900 - 1300 nm Fund., 450 - 650 nm SHG
¥76,857
7-10 Days
NLC05 Support Documentation
NLC05Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 1.00 mm Thick, θ = 23.3°, 900 - 1300 nm Fund., 450 - 650 nm SHG
¥76,857
Today
NLC06 Support Documentation
NLC06Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 2.00 mm Thick, θ = 23.3°, 900 - 1300 nm Fund., 450 - 650 nm SHG
¥76,857
7-10 Days
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BBO結晶、1300~1700 nm (基本波)および650~850 nm (SHG)

Key Specifications for SHG Applicationsa
Item #NLC07
Crystal Thickness3.00 mm
Angle of Optic Axis (θ)b19.8°
AR Coating Rangec650 - 850 nm and 1300 - 1700 nm
Reflectance Over Coating Range (Avg.)< 4% at 0° AOI
Fundamental Wavelength (1ω)AOI = 0°1550 nm
AOI Tunedc1300 - 1700 nm
SHG Wavelength (2ω)AOI = 0°775 nm
AOI Tuned650 - 850 nm
Minimum Recommended Focal Spot Size
(1/e2 Diameter)c,d
360 µm
Minimum Recommended Pulse Duration (FWHM)c,d15 fs
  • 仕様の詳細については、「仕様」タブをご参照ください。
  • 結晶表面の垂線と光軸間角度
  • 性能グラフは「仕様」タブ内でご覧いただけます。
  • 入射光は1550 nmの基本波長を仮定

こちらのβ-BBO結晶は厚さ3.00 mmで、波長範囲1300~1700 nmの入射ビームから650~850 nmの第2高調波発生(SHG)光を得られます。基本波および第2高調波の範囲にわたって表面反射を低減するためにARコーティングが施されています。これらのマウント済みの結晶を使用して、エルビウム(Er)レーザまたは光パラメトリック増幅器の出力周波数を2倍にすることができます。

+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
NLC07 Support Documentation
NLC07Ø1" Mounted β-BBO Crystal, 3.00 mm Thick, θ = 19.8°, 1300 - 1700 nm Fund., 650 - 850 nm SHG
¥74,062
Today