白皮书：定期在光谱法中使用的尼贝特lithi µm

介绍

光谱学是研究物质对光和其他辐射的吸收和发射，以及这些过程对辐射波长的依赖性。它通过提供对材料的组成、结构和动力学的宝贵见解，在各个科学和工业领域发挥着至关重要的作用。光谱技术有着广泛的应用，包括化学、物理、生物学、环境科学、材料科学、制药等。全球光谱学市场规模到 2022 年将达到 160 亿美元，预计到 2032 年将达到 310 亿美元左右，随着光谱学方法用于测试目的的使用不断增加。实验室对新开发技术的需求不断增加，市场复合年增长率为 7.3% ^[1].

效率和多功能性是光谱学中关键的FActoRS，因为研究人员努力及时获得准确而详细的信息。为了满足这些需求，不断需要创新和先进的光谱技术，这些技术提供了增强的灵敏度，广泛的可调性和改善的信号产生。周期性的螺旋µm元（PPLN）已成为各种光谱技术的有价值平台，从而实现了对光 - 物质相互作用的有效和多功能操纵。通过利用其独特的特性和周期性的波动结构，PPLN具有增强的波长转换功能，广泛的可调性和提高的检测灵敏度。这份白皮书探讨了PPLN在光谱应用中的潜力，包括非线性光谱，S µm频率产生光谱和拉曼光谱。

PPLN 的光谱特性

PPLN提供了较大的非线性系数，可有效的波长转换和非线性光学信号的产生。其宽的透明度范围涵盖了广泛的光谱范围，使研究人员可以进入电磁频谱µm的不同区域。此外，PPLN表现出高伤害阈值，使其能够处理强烈的激光束。这些特性结合了PPLN通过周期性策略在实现准阶段匹配条件下的灵活性，使其成为光谱应用的有吸引力的材料。

大型非线性系数：PPLN具有较大的非线性系数。最高的非线性系数是D33 = 25pm/v，对应于与z轴平行的相互作用，即IE类型0相匹配。对于定期螺旋的MGO：LN，有效的非线性系数D _EFF通常为14 pm/v，它比传统的非线性晶体（例如Lithi µm Triborate（LBO，0.85pm/v），Beta Bari µm bbO（BBO，BBO，2.5pm/v），2.5pm/v）或Potassi µm titanyl pitanyl phostanyl phostape（KTP）高得多。该属性允许有效的频率转换过程，例如第二谐波生成（SHG），s µm频率产生（SFG），差异频率产生（DFG）和光学参数振荡（OPO），光学参数扩增（OPA），这对于各种光谱应用至关重要。

广泛的透明度范围：PPLN表现出宽阔的透明度范围，从紫外线（UV）延伸到中红外（MID-IR）频谱µm 。透明窗口覆盖了大约380nm至5μm的波长。这种宽阔的透明度范围使PPLN可用于跨多种波长的光谱研究。

高损伤阈值：PPLN 具有高损伤阈值，使其能够承受高强度激光辐射。这一特性对于涉及强激光束的光谱应用至关重要，因为它可以确保晶体在苛刻的工作条件下的稳定性和寿命。对于飞秒激光源，PPLN 可以处理高达 8GW/cm ^{2 的}功率强度。

波长转换的灵活性：PPLN 可以通过周期性极化晶体来设计以呈现准相位匹配 (QPM) 结构。该过程创建了一系列具有相反偏振方向的交替区域。通过选择适当的极化周期，可以调整 QPM 波长以满足特定的应用要求。这种波长转换的灵活性使得能够高效、精确地调谐生成或转换的频率以进行光谱研究。

广泛的可调谐性：PPLN 的 QPM 结构允许生成或转换的波长具有广泛的可调谐性。通过调节晶体的温度，可以定制相位匹配条件，从而在很宽的波长范围内实现可调输出。这种可调性对于需要扫描或访问不同波长的能力的光谱技术是有利的。

PPLN 用于光谱学

双光子吸收光谱是一种非线性光学技术，涉及分子或材料同时吸收两个光子。当两个较低能量光子的组合能量与通常需要单个较高能量光子的电子跃迁所需的能量相匹配时，就会发生该过程。在该技术中，使用具有相对较长脉冲持续时间和近红外（NIR）波长的脉冲激光源来激发样品。较长的脉冲持续时间有助于确保两个光子同时被吸收，从而产生荧光发射或其他可测量的信号。 PPLN 在双光子吸收光谱中用作倍频器，将近红外激光波长转换为较短的波长，通常在可见光范围内^[2] 。 PPLN 较大的非线性系数和波长转换的灵活性可实现 NIR 激光的高效 SHG。通过利用 PPLN 的 QPM 特性，可以显着提高转换效率，从而为双光子吸收光谱产生更强且更可检测的信号^[3] 。

S µm频率产生（SFG）光谱是一种功能强大且非线性的光学技术，用于研究材料的表面和界面特性^[4] 。它提供了有关界面上分子振动和相互作用的有价值的信息，这些信息对于理解各种应用中的表面，薄膜和接口的行为至关重要，例如催化，生物接口和材料科学。 SFG光谱涉及两个相互作用的入射光子，以产生一个等于两个入射光子频率的 µmµm SFG是高度表面特异性的，可以选择性地探测界面或表面上的分子振动，而不会受到大量材料的干扰。这使其特别适合研究埋入界面的分子结构和动力学。 SFG光谱法提供了有关界面上存在的分子的振动信息，使研究人员能够研究分子取向，氢键和其他相互作用。 SFG光谱法是一种无损的技术，可以探测表面和界面而不会改变样品。它对分子结构和方向高度敏感，使研究人员可以研究单层或非常薄的膜。 SFG的表面选择性使其成为研究掩埋界面的理想工具，例如在生物膜中发现的界面或电极 - 电解质界面。 SFG可以与时间分辨的测量相结合，从而使研究人员能够在飞秒时间尺度上研究界面的动态过程^[5] 。

PPLN 是产生具有高灵敏度和可调谐性的相干 SFG 信号的良好材料。 PPLN 晶体可以设计为具有不同的周期，从而使生成的 SFG 信号在很宽的频率范围内可调。 PPLN 中的准相位匹配条件极大地提高了 SFG 过程的效率，从而产生更强且更容易检测的信号。 PPLN 晶体可以设计为覆盖广泛的红外和可见波长，使其与各种激光源兼容。 PPLN 提供相干 SFG 信号，允许相敏测量和各种基于相干的光谱技术。由于转换效率高，基于 PPLN 的 SFG 设置可以实现出色的灵敏度，从而能够研究单层或弱相互作用界面。

拉曼光谱学方面还显示出巨大的潜力，拉曼光谱是一种用于分子鉴定和分析的技术。拉曼光谱学提供了有关分子振动和化学组成的有价值的信息，但它通常遭受信号较弱的损失，从而限制了其在某些情况下的灵敏度和适用性。 PPLN可以克服这些局限性，并通过诸如刺激的拉曼散射（SRS）和相干的反stokes拉曼散射的过程来增强拉曼信号^[6] 。 SRS是一种非线性光学过程，可以通过使用强大的P µm P激光来刺激拉曼过渡，从而显着放大弱拉曼信号。 µm 的相互作用，从而导致拉曼信号以不同的频率扩增。由于其独特的准阶段匹配性能， PPLN可以用作SRS的非线性MEDI µm µm P到Raman-Shifted信号的有效能量转换。研究人员使用PPLN晶体来构建用于SRS显微镜的全稳态激光系统。他们证明了在30 µs像素停留时间的SRS显微镜，具有较高的化学对比度，信噪比超过45，并且不需要平衡检测^[7] 。

连贯的反stokes拉曼散射（CARS）光谱是一种强大的非线性光学技术，用于无标签的化学成像和振动光谱。它可以通过利用拉曼散射现象来检测和表征分子振动。汽车光谱涉及三个激光束的相互作用：AP µm P梁，Stokes束和探针梁。P µm P和Stokes梁组合在一起，以在较低的频率下生成相干的抗Stokes信号，然后使用探针束检测。 P µm P和Stokes梁之间的频率差对应于感兴趣的振动模式。基于PPLN的OPA系统可以扩增SHG和CARS显微镜成像的发射成像信号，并且放大的光信号足够强，可以在普通的房间光条件下被偏置的光电二极管检测到^[8] 。

用于波长转换的 PPLN

第二次谐波生成（SHG）或频率加倍，是最常用的二阶非线性过程。通过非线性过程将两个具有相同波长λp的输入P µM P光子_组合µm_λSHG，其中λshg ₌ λp _/ 2（或频率f _shg = 2f _p ）。

MGO：PPLN SHG晶体可以使用QPM光栅周期制造，适用于从976 nm到2100 nm的多种市售P µm P激光波长，从而使频率在488nm之间的频率加倍。

S µm频率产生（SFG）_λp和λs_处结合了两个输入光子，_λSFG处生成输出光子，其中λSFG ₌ （1/λP ₊ 1/λS _） -1 ^（或在频率F f _shg = f shg = f _p + p _s ）中。

通过结合易于可用的固定（例如1550nm）和可调（例如780/810nm）P µm P激光源MGO MGO：PPLN SFG晶体可以在500-700nm之间提供可调的输出灯。

Difference frequency generation (DFG) occurs when two input photons at λ _P and λ _S are incident on the crystal, the presence of the lower frequency signal photon λ _S , stimulates the p µm p photon λ _P , to emit a signal photon λ _S and idler photon at λ _i , where λ _i = (1/ λ _P – 1/ λ _S ) ^-1 (or in terms of frequency f _i = f _P – f _S ).在此过程中，两个信号光子和一个怠速光子退出晶体，导致放大信号场。这被称为光学参数扩增（OPA） 。此外，通过将非线性晶体放置在光学谐振器中，也称为光学参数振荡器（OPO） ，可以显着提高效率。

参考

1. https://www.precedenceresearch.com/spectroscopy-market。
2. D.徐，等。 al ，“用于多模态 CARS、SHG 和双光子显微镜的宽可调免同步皮秒激光源”， 《生物医学光学快报》，卷。 12、没有。 2，第 2 页。 1010、2021。
3. H. He，等人。 ，“使用 937nm 倍频全光纤锁模激光器进行深部组织双光子显微术”， Advanced Photonics Nexus，卷。 1(2)，第 14 页。 026001, 2022。
4. A. Morita，S µm频率生成光谱的理论，Springer。
5. A. Ghosh等。 Al，“飞秒时间分辨和二维振动s µm频率光谱仪µm用于研究界面处的结构动力学”， µm excient 》，第1卷，第1卷。 79，第79页。 093907，2008。
6. D.波利等人。 ac，“宽带相干拉曼散射显微镜”，激光与光子学评论，卷。 12、没有。 2018 年 9 月。
7. T.斯坦勒等。等人。 ，“用于受激拉曼散射显微镜的无同步全固态激光系统”，光：科学与应用，卷。 2016 年 5 月。
8. Y.孙，等人。 ，“通过光学参量放大检测进行非线性光学成像（特邀论文）”，《创新光学健康科学杂志》，卷。 16、没有。 1，p。 2245001, 2023。