CN107293935B - 一种产生短波长深紫外激光的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种产生短波长深紫外激光的装置，包括：泵浦源、第一激光变频系统、第二激光变频系统、分束镜、倍频系统以及和频系统，所述泵浦源发射的激光经过所述第一激光变频系统后，得到第一预设频率的第一激光源；所述第一激光源发射的激光经所述分束镜后，分束成频率相等的第一激光和第二激光；所述第一激光经过倍频系统的2倍频后射入所述第二激光变频系统，得到第二预设频率的第二激光源；所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍频后，与所述第二激光在所述真空和频系统中和频或所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍频后，与所述第一激光在所述倍频系统的2倍频后在真空中和频，得到调频范围较宽的深紫外激光。

Description

一种产生短波长深紫外激光的装置
技术领域
本发明涉及全固态激光变频领域，更具体地，涉及一种产生短波长深紫外激光的装置。
背景技术
全固态深紫外(DUV-DPL)相干光源，尤其是波长可调谐的脉冲深紫外激光在现代生物技术、材料加工、超快光谱分析和强场物理等领域有广泛的应用前景。
目前，近红外波段的脉冲激光主要利用脉冲泵浦块状晶体或光纤增益介质，或者在腔内进行调Q或锁模来获得，而紫外波段的脉冲由于受增益介质激发光谱的限制，还没有办法直接产生。基于非线性晶体材料二阶非线性效应，对可调谐的脉冲可见光和近红外光进行多级非线性频率变换仍然是当前获得紫外、深紫外相干光源的常用方法。现有技术中，获得DUV-DPL有2种技术路线：一是直接倍频技术；二是和频技术。在直接倍频技术方面，氟代硼铍酸钾KBBF晶体及其同族的氟代硼铍酸铷RBBF晶体是目前唯一可直接倍频产生深紫外激光的非线性晶体，已有大量直接倍频获得可调谐波长的研究结果被报道，获得最短的波长输出为165nm；在和频技术方面，目前，已有研究利用钛宝石基频光与其四次谐波和频获得了156-160nm和149.8-158.1nm的5倍频深紫外激光输出。
但是，现有技术无论直接倍频技术或是和频技术，均采用的是单一激光源，对基频光的功率要求大，并且获得的可调谐范围较窄，导致实用性受限。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种产生深紫外激光的装置。
根据本发明的一个方面，提供一种产生深紫外激光的装置，包括：
泵浦源、第一激光变频系统、第二激光变频系统、分束镜、倍频系统以及和频系统，其中，
所述泵浦源发射的激光经过所述第一激光变频系统后，得到第一预设频率的第一激光源；
所述第一激光源发射的激光经所述分束镜后，分束成频率相等的第一激光和第二激光；
所述第一激光经过倍频系统的2倍频后射入所述第二激光变频系统，得到第二预设频率的第二激光源；
所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍频后，与所述第二激光在所述和频系统中和频，或
所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍频后，与所述第一激光在所述倍频系统的2倍频后和频，得到需要的深紫外激光。
其中，所述第一激光变频系统包括：
两块谐振腔镜和激光晶体，其中，
所述激光晶体为Nd3+激光晶体，靠近所述泵浦源的一块谐振腔镜的镀有对所述泵浦源发射的激光频率高透过率的介质膜，以及对所述第一预设频率高反射率的介质膜，远离所述泵浦源的另一块谐振腔镜镀有对所述第一预设频率的激光耦合输出率的介质膜。
其中，所述第一激光变频系统还包括：
调Q装置或锁模装置，所述调Q装置或锁模装置用于获得脉宽不同量级的脉冲激光，其中，
包括纳秒量级脉冲激光、皮秒量级脉冲激光以及飞秒量级脉冲激光。
其中，当产生的脉冲激光为皮秒量级脉冲激光或飞秒量级脉冲激光时，所述装置还包括：
延时设备，包括4块反射镜，每一块反射镜镀有45°的高反射介质膜，所述高反射介质膜的反射频率与入射激光的频率相等，
第一反射镜接收到入射激光后将激光90°反射至第二反射镜；
所述第二反射镜接收到所述第一反射镜反射的激光后，将激光90°反射至第三反射镜；
所述第三反射镜接收到所述第二反射镜反射的激光后，将激光90°反射至第四反射镜；
所述第四反射镜接收到所述第三反射镜反射的激光后，将激光90°反射至所述和频系统；
通过调节所述第二反射镜和第一反射镜之间的光路距离，可控制激光发送至和频系统的时间。
其中，所述第二激光变频系统包括：
两块谐振腔镜和激光晶体，其中，
所述激光晶体为钛宝石晶体、靠近所述分束镜的一块谐振腔镜的镀有对所述第一激光经过倍频系统的2倍频后频率高透过率的介质膜，以及对所述第二预设频率高反射率的介质膜，远离所述分束镜的另一块谐振腔镜镀有对所述第二预设频率的激光耦合输出率的介质膜。
其中，所述倍频系统包括：
第一倍频晶体、第二倍频晶体以及第三倍频晶体，其中，
所述第一倍频晶体，用于接收所述第一激光，并将所述第一激光的频率放大两倍；
所述第二倍频晶体，用于接收所述第二激光源发射的激光，并将所述第二激光源发射的激光频率放大两倍；
所述第三倍频晶体，用于接收经所述第二倍频晶体放大两倍频率后的激光，并将所述激光的频率放大两倍。
其中，所述第一倍频晶体、第二倍频晶体以及第三倍频晶体为：
三硼酸锂LiB3O5、偏硼酸钡BaB2O4、磷酸氧钛钾KTiOPO4中的其中一种。
其中，所述和频系统包括：
第一和频晶体和第二和频晶体，其中，
所述第一和频晶体，用于接收所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍频后的激光，以及所述第二激光，并对接收到的两束激光进行和频处理，得到第一深紫外激光；
所述第二和频晶体，用于接收第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍频后的激光，以及所述第一激光在所述倍频系统的2倍频后激光，并对接收到的两束激光进行和频处理，得到第二深紫外激光。
其中，所述第一和频晶体器件和第二和频晶体器件为：
氟代硼铍酸钾KBBF-PCD晶体器件或氟代硼铍酸铷RbBe2BO3F2晶体器件中的一种。
其中，所述第一深紫外激光调谐范围为147-151.8nm，所述第二深紫外激光的调谐范围为159.4-177.1nm。
本发明提供一种产生深紫外激光的装置，通过利用钛宝石激光的可调谐4倍频激光分别与其泵浦源0.5μm激光或泵浦源1μm基频光进行和频，得到具有较宽调频范围的深紫外激光。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种产生深紫外激光的装置的光路图；
图2是本发明实施例提供的第一深紫外激光的相位匹配曲线；
图3是本发明实施例提供的第二深紫外激光的相位匹配曲线；
附图标记：
1、泵浦源 2、谐振腔镜 3、调Q或锁模器件 4、激光晶体 5、谐振腔镜 6、分束镜 7、高反镜 8、高反镜 9、高反镜 10、倍频晶体 11、分束镜 12、高反镜 13、高反镜 14、谐振腔镜 15、激光晶体 16、谐振腔镜 17、倍频晶体 18、高反镜 19、倍频晶体 20、高反镜 21、高反镜 22、高反镜 23、高反镜 24、和频晶体 25、和频晶体 26、延时模块 27、镜片 28、镜片29、镜片 30、镜片 31、延时模块 32、镜片 33、镜片 34、镜片 35、镜片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明实施例提供的一种产生深紫外激光的装置的光路图，如图1所示，所述装置包括：
泵浦源、第一激光变频系统、第二激光变频系统、分束镜、倍频系统以及和频系统，其中，
所述泵浦源发射的激光经过所述第一激光变频系统后，得到第一预设频率的第一激光源；
所述第一激光源发射的激光经所述分束镜后，分束成频率相等的第一激光和第二激光；
所述第一激光经过倍频系统的2倍频后射入所述第二激光变频系统，得到第二预设频率的第二激光源；
所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍频后，与所述第二激光在所述和频系统中和频或
所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍频后，与所述第一激光在所述倍频系统的2倍频后和频，得到所述深紫外激光。
其中，泵浦源1用于发射激光，本发明实施例采用的是激光二极管作为泵浦源，提供的发射波长为808nm。
其中，所述第一激光变频系统包括激光晶体4、调Q或锁模器件3以及谐振腔镜2和谐振腔镜5，其中所述激光晶体4用于产生预设频率的激光，所述谐振腔镜2和谐振腔镜5用于选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制，调Q或锁模器件3用于调节激光脉冲的脉宽。
优选的，本发明实施例提供的预设第一激光源的输出波长为1.064μm。
所述第二激光变频系统包括激光晶体15、谐振腔镜14和谐振腔镜16，可以理解的是，本发明实施例提供的激光晶体15与上述激光晶体4的材质不同，本发明实施例提供的激光晶体15采用的是钛宝石晶体，所述钛宝石晶体是目前综合性能最好的固体可调谐激光器，它具有结构简单、调谐范围宽、发射截面大、转换效率高、运转方便以及可用多种不同波长光源泵浦等许多突出优点，同时钛宝石的受激发射截面大，使得钛宝石激光器成为最重要的超强超短脉冲激光振荡源，辅之以非线性光学频率变换技术，便可获得深紫外可调谐激光输出。
优选的，本发明实施例提供的第二激光源的输出波长为0.75-0.85μm。
其中，本发明实施例提供的分束镜为第一分束镜6和第二分束镜11，第一分束镜的反射率Rω1＝80％，透射率Tω1＝20％，用于将第一激光源发射的激光分为两束，第二分束镜的反射率R2ω1＝60％，透射率T2ω1＝40％，用于将第一激光2倍频后的激光分为两束。
可以理解的是，可以通过调节R和T的值控制反射光和透射光的能量比例。
所述倍频系统包括了倍频晶体10、17、19，用于将射入倍频晶体的激光频率倍频。
所述真空和频系统包括了和频晶体24和和频晶体25，用于将射入和频晶体的两束激光频率和频。
具体的，所述泵浦源发射的激光经过所述第一激光变频系统后，得到第一预设频率ω1的第一激光源；
所述第一激光源发射的激光经所述分束镜后，分束成频率均为ω1的第一激光和第二激光；
所述第一激光经过倍频系统的2倍倍频后得到2ω1频率的激光，
将2ω1频率的激光射入所述第二激光变频系统，得到第二预设频率的第二激光源；
所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍倍频后，得到频率为4ω2的激光，
频率为4ω2的激光与频率为ω1的第二激光在所述真空和频系统中和频得到第一深紫外激光。
或者
频率为4ω2的激光与频率为2ω1的激光在真空中和频，得到第二深紫外激光。
可以理解的是，本发明实施例提供的装置中还包括多个高反镜，其中，高反镜7、8、9、22镀有对频率ω1的高反射率的介质膜，其中高反镜22还镀有对4ω2高透过率的介质膜。
高反镜12、13、23镀有对2ω1高反射率的介质膜，其中高反镜23同时还镀有对4ω2高透过率的介质膜。
高反镜18镀有对2ω2高反射率的介质膜，高反镜20、21镀有对4ω2高反射率的介质膜，并且可以通过撤去高反镜20或增添高反镜20来控制光路的走向。
本发明提供一种产生深紫外激光的装置，通过利用钛宝石激光的可调谐4倍频激光分别与其泵浦源0.5μm激光或泵浦源1μm基频光进行和频，得到具有较宽调频范围的深紫外激光。
在上述实施例的基础上，所述第一激光变频系统包括：
两块谐振腔镜和激光晶体，其中，
所述激光晶体为Nd3+激光晶体，靠近所述泵浦源的一块谐振腔镜镀有对所述泵浦源发射的激光频率高透过率的介质膜，以及对所述第一预设频率高反射率的介质膜，远离所述泵浦源的另一块谐振腔镜镀有对所述第一预设频率的激光耦合输出率的介质膜。
其中，所述Nd3+激光晶体为Nd:YAG激光晶体，属于固体激光发射激光的波长为1.064μm。
需要说明的是，Nd:YAG激光晶体是本发明实施例提供的一种优选激光晶体，本发明实施例中还可以使用Nd:YVO4、Nd:YLF等激光晶体同等代替。
那么针对于本发明实施例提供的Nd:YAG激光晶体生成的1.064μm的激光而言，所述第一预设频率即为
在上述实施例的基础上，所述第一激光变频系统还包括：
调Q装置或锁模装置，所述调Q装置或锁模装置用于获得脉宽不同量级的脉冲激光，其中，
包括纳秒量级脉冲激光、皮秒量级脉冲激光以及飞秒量级脉冲激光。
可以理解的是，调Q装置或锁模装置是用于产生脉冲激光的本领域常用技术手段，本发明实施例提供的调Q装置或锁模装置提供了3种不同量级的脉冲激光，其中包括纳秒量级脉冲激光、皮秒量级脉冲激光以及飞秒量级脉冲激光。
在上述实施例的基础上，当产生的脉冲激光为皮秒量级脉冲激光或飞秒量级脉冲激光时，所述装置还包括：
延时设备，包括4块反射镜，每一块反射镜镀有45°的高反射膜，所述高反射膜的反射频率与入射激光的频率相等，
第一反射镜接收到入射激光后将激光90°反射至第二反射镜；
所述第二反射镜接收到所述第一反射镜反射的激光后，将激光90°反射至第三反射镜；
所述第三反射镜接收到所述第二反射镜反射的激光后，将激光90°反射至第四反射镜；
所述第四反射镜接收到所述第三反射镜反射的激光后，将激光90°反射至所述和频系统；
通过调节所述第二反射镜和第一反射镜之间的光路距离，可控制激光发送至真空和频系统的时间。
如图1所示，当ω1激光脉冲为皮秒量级脉冲激光或飞秒量级脉冲激光时，装置还包括延时模块26和31，用于调整ω1和2ω1激光与4ω2激光和频的时间匹配。延时模块26中的镜片27、28、29、30均镀对ω1激光45°高反射的介质膜(45°HR&1.064μm)，延时模块31中的镜片32、33、34、35均镀对2ω1激光45°高反射的介质膜(45°HR&532nm)。其中镜片27、28、32、33均放置在线性平移台上，可沿图中箭头方向平移，从而改变光程，实现与4ω2激光的时间匹配。加入延时模块26和31后，其内部光路改为虚线表示。
在上述实施例的基础上，所述第二激光变频系统包括：
两块谐振腔镜和激光晶体，其中，
所述激光晶体为钛宝石晶体、靠近所述分束镜的一块谐振腔镜的镀有对所述第一激光经过倍频系统的2倍频后频率高透过率的介质膜，以及对所述第二预设频率高反射率的介质膜，远离所述分束镜的另一块谐振腔镜镀有对所述第二预设频率的激光耦合输出率的介质膜。
其中，所述激光晶体为泵浦钛宝石晶体，钛宝石激光器是目前综合性能最好的固体可调谐激光器，它具有结构简单、调谐范围宽、发射截面大、转换效率高、运转方便以及可用多种不同波长光源泵浦等许多突出优点，同时钛宝石的受激发射截面大，使得钛宝石激光器成为最重要的超强超短脉冲激光振荡源，辅之以非线性光学频率变换技术，便可获得深紫外可调谐激光输出。
本发明实施例提供的钛宝石晶体提供的激光波长为0.75-0.85μm，这是基于钛宝石激光器本身的调谐范围决定的。在上述实施例的基础上，所述倍频系统包括：
第一倍频晶体、第二倍频晶体以及第三倍频晶体，其中，
所述第一倍频晶体，用于接收所述第一激光，并将所述第一激光的频率放大两倍；
所述第二倍频晶体，用于接收所述第二激光源发射的激光，并将所述第二激光源发射的激光频率放大两倍；
所述第三倍频晶体，用于接收经所述第二倍频晶体放大两倍频率后的激光，并将所述激光的频率放大两倍。
如图1所示，本发明实施例提供了3块倍频晶体，分别为第一倍频晶体10、第二倍频晶体17以及第三倍频晶体19，第一倍频晶体10用于将频率ω1倍频为2ω1，以获得532nm波长的激光，第二倍频晶体17用于将频率ω2的激光倍频为2ω2的激光，第三倍频晶体19用于将频率为2ω2的激光倍频为频率为4ω2的激光。
在上述实施例的基础上，所述第一倍频晶体、第二倍频晶体以及第三倍频晶体为：
三硼酸锂LiB3O5、偏硼酸钡BaB2O4、磷酸氧钛钾KTiOPO4中的其中一种。
可以理解的是，本发明实施例提供的倍频晶体的材料为三硼酸锂(LiB3O5，LBO)、偏硼酸钡(BaB2O4，BBO)、磷酸氧钛钾(KTiOPO4，KTP)中的其中一种，三种材质均能完成所需的倍频效果，本发明实施例不对材质做具体限定。
在上述实施例的基础上，所述和频系统包括：
第一和频晶体和第二和频晶体，其中，
所述第一和频晶体，用于接收所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍倍频后的激光，以及所述第二激光，并对接收到的两束激光在真空中进行和频处理，得到第一深紫外激光；
所述第二和频晶体，用于接收第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍频后的激光，以及所述第一激光在所述倍频系统的2倍倍频后激光，并对接收到的两束激光在真空中进行和频处理，得到第二深紫外激光。
如图1所示，所述真空和频系统包括：第一和频晶体24和第二和频晶体25，其中，第一和频晶体24用于频率为2ω1激光和频率为4ω2激光和频，获得147-151.8nm调谐范围的深紫外激光，第二和频晶体25用于频率为ω1激光和频率为4ω2激光和频，产生调谐范围为159.4-177.1nm的深紫外激光。
在上述实施例的基础上，所述第一和频晶体器件和第二和频晶体器件为：
氟代硼铍酸钾KBBF-PCD晶体器件或氟代硼铍酸铷RbBe2BO3F2晶体器件中的一种。
可以理解的是，氟硼酸钾铍KBBF-PCD晶体器件是一种优选的可以进行和频处理的晶体器件，所述氟硼酸钾铍晶体光学透明反围和相位匹配范围较宽，并且非线性系数大，抗光损伤阈值高，温度带宽宽，但本发明实施例不对具体的晶体类型做限定。
在上述实施例的基础上，所述第一深紫外激光调谐范围为147-151.8nm，所述第二深紫外激光的调谐范围为159.4-177.1nm。
可以理解的是，所述第一深紫外激光，由第一和频晶体24将频率为2ω1激光和频率为4ω2激光在真空中和频，获得147-151.8nm调谐范围的深紫外激光；
所述第二深紫外激光，由第二和频晶体25将频率为ω1激光和频率为4ω2激光在真空中和频，产生调谐范围为159.4-177.1nm的深紫外激光。
图2是本发明实施例提供的第一深紫外激光的相位匹配曲线，图3是本发明实施例提供的第二深紫外激光的相位匹配曲线。
由图2和图3所示的结果可得，本发明实施例提供的第一深紫外激光和第二深紫外激光调谐范围较宽并且相位匹配结果较好，具有实用价值。
本发明提供一种产生深紫外激光的装置，通过利用钛宝石激光的可调谐4倍频激光分别与其泵浦源0.5μm激光或泵浦源1μm基频光进行和频，得到具有较宽调频范围的深紫外激光。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种产生短波长深紫外激光的装置，其特征在于，包括：
泵浦源、第一激光变频系统、第二激光变频系统、分束镜、倍频系统以及真空和频系统，其中，
所述泵浦源发射的激光经过所述第一激光变频系统后，得到第一预设频率的第一激光源；
所述第一激光源发射的激光经所述分束镜后，分束成频率相等的第一激光和第二激光；
所述第一激光经过倍频系统的2倍倍频后射入所述第二激光变频系统，得到第二预设频率的第二激光源；
所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍频后，与所述第二激光在所述真空和频系统中和频，或
所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍频后，与所述第一激光在所述倍频系统的2倍频后在真空中和频，得到需要的深紫外激光；所述和频系统包括：
第一和频晶体和第二和频晶体，其中，
所述第一和频晶体，用于接收所述第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍倍频后的激光，以及所述第二激光，并对接收到的两束激光进行和频，得到第一深紫外激光；
所述第二和频晶体，用于接收第二激光源发射的激光经过所述倍频系统的4倍倍频后的激光，以及所述第一激光在所述倍频系统的2倍倍频后激光，并对接收到的两束激光进行和频，得到第二深紫外激光；所述第一深紫外激光调谐范围为147-151.8nm，所述第二深紫外激光的调谐范围为159.4-177.1nm。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一激光变频系统包括：
两块谐振腔镜和激光晶体，其中，
所述激光晶体为Nd3+激光晶体，靠近所述泵浦源的一块谐振腔镜镀有对所述泵浦源发射的激光高透过率的介质膜，以及对所述第一预设频率高反射率的介质膜，远离所述泵浦源的另一块谐振腔镜镀有对所述第一预设频率的激光耦合输出率的介质膜。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一激光变频系统还包括：
调Q装置或锁模装置，所述调Q装置或锁模装置用于获得脉宽不同量级的脉冲激光，其中，
包括纳秒量级脉冲激光、皮秒量级脉冲激光以及飞秒量级脉冲激光。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，当产生的脉冲激光为皮秒量级脉冲激光或飞秒量级脉冲激光时，所述装置还包括：
延时设备，包括4块反射镜，每一块反射镜镀有45°的高反射介质膜，所述高反射介质膜的反射频率与入射激光的频率相等，
第一反射镜接收到入射激光后将激光90°反射至第二反射镜；
所述第二反射镜接收到所述第一反射镜反射的激光后，将激光90°反射至第三反射镜；
所述第三反射镜接收到所述第二反射镜反射的激光后，将激光90°反射至第四反射镜；
所述第四反射镜接收到所述第三反射镜反射的激光后，将激光90°反射至所述和频系统；
通过调节所述第二反射镜和第一反射镜之间的光路距离，可控制激光发送至和频系统的时间。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二激光变频系统包括：
两块谐振腔镜和激光晶体，其中，
所述激光晶体为钛宝石晶体、靠近所述分束镜的一块谐振腔镜的镀有对所述第一激光经过倍频系统的2倍频后频率高透过率的介质膜，以及对所述第二预设频率高反射率的介质膜，远离所述分束镜的另一块谐振腔镜镀有对所述第二预设频率的激光耦合输出率的介质膜。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述倍频系统包括：
第一倍频晶体、第二倍频晶体以及第三倍频晶体，其中，
所述第一倍频晶体，用于接收所述第一激光，并将所述第一激光的频率放大两倍；
所述第二倍频晶体，用于接收所述第二激光源发射的激光，并将所述第二激光源发射的激光频率放大两倍；
所述第三倍频晶体，用于接收经所述第二倍频晶体放大两倍频率后的激光，并将所述激光的频率放大两倍。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一倍频晶体、第二倍频晶体以及第三倍频晶体为：
三硼酸锂LiB3O5、偏硼酸钡BaB2O4、磷酸氧钛钾KTiOPO4中的其中一种。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和频晶体器件和第二和频晶体器件为：
氟代硼铍酸钾KBBF-PCD晶体器件或氟代硼铍酸铷RbBe2BO3F2晶体器件中的一种。
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