白皮书：利用非线性光学晶体进行波长工程

非线性光学晶体

非线性光学 (NLO) 晶体为利用现有现成激光光源产生新的波长提供了一种极其灵活的解决方案。微米波段的光µm被广泛应用于各种领域，且应用范围还在不断扩展，包括紫外线消毒、量子µm网络与计算、可见光成像、电信、环境传感、太赫兹光谱等等。对于所有这些应用而言，光源都是至关重要的组件，它能够提供所需的µm波段波长、功率、线宽和其他关键光谱特性。.

尽管市面上已有种类繁多的激光光源，覆盖了µm，但并非所有
应用都能找到直接或经济高效的光源。在无法找到实用直接光源的情况下，利用高效非线性光学晶体进行波长转换则提供了一种有效的解决方案。

哪些应用程序？

“PPLN晶体的应用范围十分广泛，涵盖航天、国防技术以及量子µm计算等领域。通过我们的研究以及客户的工作，我们不断发现我们解决方案的新应用。”
CovesionCTOProf. Corin Gawith。

波长转换原理

利用非线性光学效应进行波长转换的原理已存在数十年，随着激光技术的发展，以及具有高光学非线性的高质量晶体的发现，转换效率的相应提高使得非线性光学晶体在研究和商业领域得到实际应用。^{^1,2}其中一项最重要的进展是采用了可进行畴工程的材料，从而能够利用准相位匹配（QPM）来维持相互作用波之间的相对相位。^³

与均质材料中使用的更传统的双折射相位匹配 (BPM) 相比，微结构 QPM 材料具有以下优点：简单的共线光学对准、非关键角度偏移、可获得最大的非线性系数以及高度灵活的设计空间。.

非线性光学晶体为产生直接激光源不易获得的波长提供了一种实用的解决方案。.

非线性光学晶体的选择

针对特定应用选择非线性光学晶体主要取决于所需波长、可用的µm光源以及非线性光学转换效率。其他需要考虑的因素包括所需的输出功率、线宽、工作温度等。在选择晶体材料时，铌酸µm（LiNbO3）因其极高的非线性系数而成为极具吸引力的选择。.⁴

铌µm锂是一种铁电材料，其畴结构可通过施加电场进行反转。通过施加空间图案化的电场（即所谓的周期性极化），可以在晶体内部产生内建极化的周期性反转。这使得准相位匹配（QPM）技术能够用于获得最高的非线性系数（d33）。掺杂5%的氧化镁（MgO）可以显著提高晶体的光学和光折变电阻，同时保持其高非线性系数。由于具有更高的损伤阈值，MgO:PPLN 适用于更高功率的应用。.

由于其高非线性系数、可周期性极化和宽光学传输特性，MgO:PPLN 成为产生从蓝光（<400nm）到中红外乃至更远波段（THz）波长的灵活解决方案。通过调整 PPLN 晶体的设计，使其发挥最合适的非线性过程（例如二次谐波产生 (SHG)、和频产生 (SFG)、差频产生 (DFG) 等），即可获得所需的波长。.

非线性光学过程

二次谐波产生（SHG），或称倍频，是最常用的二阶非线性过程。在SHG中，两个波长相同的输入µm波长均为λP _）通过非线性过程组合，产生第三个波长为_λSHG的，其中_λSHG = λP _/ 2（或用频率表示为_fSHG = 2fP _） 。

MgO:PPLN SHG 晶体可以制成具有 QPM 光栅周期的晶体，适用于 976 nm 至 2100 nm 范围内的商用 p µm p 激光波长，从而可以产生 488nm 至 1050nm 之间的倍频光。.

微波µm _P和 λ _{S 的}两个输入光子组合起来，生成波长为 λ _{SFG 的}，其中 λ _SFG = (1/ λ _P + 1/ λ _S )-1（或用频率表示为 f _SHG = f _P + f _S ）。

通过结合现成的固定（例如 1550nm）和可调谐（例如 780/810nm）p µm p 激光源，MgO:PPLN SFG 晶体可以提供 500-700nm 之间的可调谐输出光。.

_P</sub>和 λ_{_S}的入射光子照射到晶体上时，就会发生差频产生 (DFG)。低频信号光子 λ_{_S} 的存在会激发波长为 p µm的光子 λ<sub> _{P S} 的信号光子和频率为 λ_{_i ，其中 λ _{_i} = (1/λ _{_P} – 1/λ _{_S} ) ^{^-1} （或用频率表示为 f _{_i} = f _P} – f_{_S}）。在此过程中，两个信号光子和一个闲置光子会离开晶体，从而产生放大的信号场。这被称为光参量放大 (OPA)。此外，通过将非线性晶体置于光学谐振腔（也称为光参量振荡器 (OPO)）中，可以显著提高效率。

MgO:PPLN DFG 晶体可以设计为与常见的固定和可调谐 p µm p 波长（例如 1064/1550/775nm）配合使用，以覆盖从近红外到中红外 4.5μm 以上的宽广连续输出调谐范围。.

MgO:PPLN准相位匹配（QPM）光栅设计可进一步扩展，以实现三阶过程，例如三次谐波产生（THG）。尽管三阶^效率远低于二阶效率，^但已证明MgO:PPLN中的三阶和频产生（SFG）（1064nm + 532nm -> 355nm）能够产生有用强度的紫外光。^⁵

实际应用

MgO;PPLN 可轻松制成从体晶体到波导等多种形式，从而提供广泛的应用范围和更高的转换效率。波长转换芯片，无论是采用体晶体还是波导形式，都可以轻松封装，并带有光纤耦合的输入和输出，从而提高易用性。光纤耦合封装与高精度温度控制器的结合，可提供即插即用的波长转换解决方案。.

利用 PPLN 晶体进行波长工程的实际应用案例包括：

由 1560nm 光源产生 780nm 光（SHG）。.

在利用冷原子干涉技术的应用中，例如重力传感和原子钟，铷原子的磁光捕获（MOT）技术备受关注。^⁶在此应用中，可将1560nm的商用电信激光器高效倍频至780nm，波导解决方案的转换效率最高可达70%。^⁷将现成的p- µm激光器组件与倍频晶体相结合，可以经济高效地产生铷原子捕获所需的780nm功率和窄线宽。

422nm <-> 1550nm 双向转换（SFG/DFG）。.

量子µm网络旨在促进量子µm密钥分发（QKD）。该应用需要高效地转换用于囚禁离子量子比特的短波长原子跃迁与用于低损耗光纤传输的电信C波段。使用特制的PPLN晶体已在422nm（Sr+发射）和1550nm之间实现了单光子水平的上转换和下转换。这为构建大规模量子µm网络提供了关键组件。.⁸

总结

总之，非线性光学晶体为产生难以通过直接激光源获得的多种波长提供了一种切实可行的解决方案。使用可进行微结构化以实现准相位匹配（QPM）的高效材料，例如MgO:PPLN，构建了一个高度灵活的产品生态系统。作为PPLN基波长转换产品的领先供应商，Covesion能够为客户量身定制解决方案，并在安装、使用和优化方面提供技术支持。凭借丰富的商用现货（COTS）产品组合以及定制设计能力，Covesion完全有能力支持最广泛的波长转换应用。.

参考

1. Maker等人，《物理评论快报》，8(1):21–23，1962
2. H µm等人，CR Physique 8 (2007) 180–198
3. Armstrong等人，《物理评论》，127(6):1918–1939，1962
4. M. Houe 等人，《应用物理学杂志D辑》，28:1747–1763，1995
5. 许等人，Proc。 SPIE 1126412（2020 年 3 月 2 日）
6. Devani 等人，CEAS 太空杂志，第 12µm，539–549 (2020)
7. Berry 等人，OSA Continu µm ，卷。 2、第12期，2019年12月15日，3456
8. Wright 等人，《物理评论应用》10，044012 (2018)