波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)在激光系統(tǒng)、量子光學(xué)和光譜分析等領(lǐng)域具有重要作用,其核心是通過非線性光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高效、靈活的波段調(diào)諧。在眾多非線性晶體中,周期極化磷酸氧鈦鉀(PPKTP)以其高損傷閾值和可見波段的低光折變特性,成為高功率波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的重要選擇。本文將從基本原理、晶體特性對(duì)比和周期極化技術(shù)等方面,分析PPKTP的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與適用場(chǎng)景。
一.二階非線性效應(yīng)與常見波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過程
基于非線性效應(yīng)進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換是目前最為廣泛、靈活與高效的方式之一。其中常用的為二階非線性效應(yīng)和三階非線性效應(yīng):
二階非線性包括倍頻、和頻、差頻以及各種光學(xué)參量轉(zhuǎn)換
三階非線性會(huì)產(chǎn)生四波混頻、受激拉曼散射、受激布里淵散射和雙光子吸收等現(xiàn)象
通常來說對(duì)于大多數(shù)材料,二階非線性效應(yīng)的極化率 χ(2)要高出三階非線性極化率 χ(3)幾個(gè)數(shù)量級(jí),這意味著二階非線性效應(yīng)(如光學(xué)倍頻)在實(shí)際應(yīng)用中效率更高,這往往是通過非線性晶體實(shí)現(xiàn)的。
基于非線性晶體二階非線性效應(yīng),有很多波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過程:
倍頻(SHG) 是最常見的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過程,將兩個(gè)頻率相同為f1的光子和非線性晶體作用,產(chǎn)生二次諧波,即頻率為2f1的光子。從波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的角度來看,即經(jīng)過非線性晶體后,波長(zhǎng)變?yōu)楸闷止獾囊话?,例如?550nm的激光通過Covesion的PPLN晶體倍頻為780nm,特別是在原子物理和量子光學(xué)領(lǐng)域,如銣原子的激光冷卻。
和頻(SFG) 結(jié)合波長(zhǎng)為λ(p)和λ(s)的兩個(gè)輸入光子來產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)為λ(SFG)的輸出光子,λ(SFG)=(1/λ(p)+1/λ(s))(-1)。
差頻(DFG)與光學(xué)參量過程 兩個(gè)波長(zhǎng)為λ(p)和λ(s)的輸入光子入射到晶體,頻率較低的波長(zhǎng)為信號(hào)光子λ(s),激發(fā)泵浦光子λ(p),發(fā)射一個(gè)波長(zhǎng)為λ(s)的信號(hào)光子和一個(gè)波長(zhǎng)為λ(i)的閑頻光子,λ(i)=(1/λ(p)-1/λ(s))(-1)。在這個(gè)過程中,兩個(gè)信號(hào)光子和一個(gè)閑頻光子出射,產(chǎn)生放大的信號(hào)光場(chǎng),這被稱為光學(xué)參量放大(OPA)。將非線性晶體放入一個(gè)光學(xué)諧振腔內(nèi)可明顯地提高效率,這就是光學(xué)參量振蕩器(OPO)。
二.非線性晶體選型標(biāo)準(zhǔn)有哪些呢?
在選擇合適的非線性晶體時(shí),需重點(diǎn)考慮以下幾項(xiàng)核心參數(shù):
透明范圍:決定晶體可適用的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換區(qū)間;
非線性系數(shù):直接影響轉(zhuǎn)換效率,系數(shù)越高通常轉(zhuǎn)換性能越優(yōu);
相位匹配方式:包括準(zhǔn)相位匹配(QPM)、臨界相位匹配(CPM)和非臨界相位匹配(NCPM等),影響溫度調(diào)諧和角度調(diào)諧等使用條件;
損傷閾值:限制最大可承受泵浦功率,間接制約轉(zhuǎn)換效率和適用場(chǎng)景;
其他物理性質(zhì):如抗潮解性、機(jī)械強(qiáng)度和溫度穩(wěn)定性等,也需納入綜合評(píng)估。
以下為幾種常用非線性晶體的關(guān)鍵性能比較:
1.鈮酸鋰 LiNbO? 簡(jiǎn)稱LN
透明范圍:350-5200nm,覆蓋整個(gè)可見光波段以及部分中紅外波段。但由于相位匹配的情況以及為了獲取穩(wěn)定有效的輸出,一般商業(yè)晶體的倍頻輸出的最低波長(zhǎng)止于450nm。
非線性系數(shù):很高。LN的非線性系數(shù)d33 ≈27 pm/V,在常規(guī)可見光波段的非線性晶體中名列前茅。
損傷閾值:較低,但可以通過摻雜鎂(如MgO:LN)來提高光學(xué)損傷和光折變閾值。
2.磷酸鈦氧鉀 KTiOPO? 簡(jiǎn)稱KTP
透明范圍:350-4500nm。與LN不同的是,KTP可以成功實(shí)現(xiàn)紫外波段的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。并且可以實(shí)現(xiàn)三倍頻,例如從 1108nm 泵浦產(chǎn)生 369nm 光,或從 1064nm 泵浦產(chǎn)生 355nm 光。
非線性系數(shù):中等。例如d31 ≈ 2.2 pm/V,d33 ≈ 14.6 pm/V。
損傷閾值:較高,適用于高功率波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
3.β相偏硼酸鋇 β﹣BaB2O4 簡(jiǎn)稱BBO
透明范圍:190–3500nm,適合紫外波段的非線性過程。
非線性系數(shù):較低,一般使用d22 ≈ 2.2 pm/V,轉(zhuǎn)換效率會(huì)相對(duì)較低。
損傷閾值:較高,略低于KTP晶體。
*BBO晶體有易潮解的特性
4.三硼酸鋰LiB3O5 LBO
透明范圍:160–2600nm,適合紫外波段的非線性過程。
非線性系數(shù):很低,一般使用d31 ≈0.85 pm/V,轉(zhuǎn)換效率會(huì)較低。
損傷閾值
三、PPKTP晶體的特性與優(yōu)勢(shì)
PPKTP(即周期性極化磷酸氧鈦鉀晶體)同樣是一款應(yīng)用廣泛的非線性晶體,QPM同樣帶來高效的轉(zhuǎn)換與靈活的可調(diào)諧性。但與PPLN不同的是,PPKTP具有更高的損傷閾值,并且在可見光波段(特別是532nm附近)具有低光折變效應(yīng),對(duì)于高功率脈沖或連續(xù)光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更加適配。當(dāng)然,如果您需要輸出350-450nm波段的光,那PPKTP是您的不二之選。而PPKTP的廠商則顯得更加集中,例如昊量光電獨(dú)家代理的美國(guó)AdvR、以色列Raicol Crystals以及瑞典Svenska Laserfabriken(簡(jiǎn)稱SLF)。
四、周期極化技術(shù)的原理與作用
之前提到的PPLN以及PPKTP,都進(jìn)行了周期極化工藝加工(Periodically Poled),通過高壓電場(chǎng)周期性反轉(zhuǎn)(極化)LN或者KTP的晶向,可以補(bǔ)償不同頻率的光子之間,因?yàn)檎凵渎首兓a(chǎn)生相位失配。這就是準(zhǔn)相位匹配(Quasi-phase matching,QPM)技術(shù),使得隨著泵浦光沿著PPLN傳播,產(chǎn)生的光子數(shù)量將逐步增加,獲得高轉(zhuǎn)換效率。
PPKTP晶體憑借高損傷閾值、低光折變效應(yīng)和靈活的調(diào)諧能力,成為高功率波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的理想材料之一。在實(shí)際應(yīng)用中,用戶需根據(jù)目標(biāo)波段、功率等級(jí)和系統(tǒng)要求選擇適合的晶體類型與供應(yīng)商。星朗浩宇作為多家國(guó)際晶體品牌的中國(guó)區(qū)合作伙伴,可提供包括PPKTP在內(nèi)的多種非線性晶體產(chǎn)品與技術(shù)支持,為激光與光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可靠解決方案。
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