白皮书：MgO:PPLN 应用

介绍

如今，科学家们致力于开发基于紧凑型实验装置和小型化元件的窄线宽、高功率、高稳定性激光器。这类激光器广泛应用于高分辨率光谱学、环境科学、光钟、基础研究和量子µm技术等领域。由于其高非线性系数，铌酸µm（LN）晶体是最重要的晶体之一，能够在基本的单程紧凑型配置中实现红外到可见光的频率转换。多种机制，例如二次谐波产生、µm频率产生、自发参量下转换、差频产生或光参量振荡，均可用于在其宽广的透射窗口内产生窄线宽、高光束质量、稳定的光源。.

氧化镁掺杂周期极化铌µm锂（MgO:PPLN）是一种非线性光学晶体，可在400nm-5100nm波段实现高效波长转换。在铌酸µm中添加5%的氧化镁可显著提高晶体的光学电阻和光折变电阻，同时保持其高非线性系数。这使得MgO:PPLN在可见光波段的工作稳定性更高，且工作温度更低，优于类似的未掺杂晶体。MgO:PPLN可在室温下工作，在某些情况下甚至无需温度稳定装置。在室温至200°C的温度范围内，MgO:PPLN的工作波长范围比未掺杂的PPLN更宽。.

应用程序

Covesion 提供 PPLN 解决方案，可实现激光器的高效频率转换，使用户能够获得传统固态激光器或二极管激光器无法达到的波长。MgO:PPLN 可用于：

• 将1064nm激光器的频率倍增至532nm，用于碘钟或海底勘测设备。¹.
• 将 1064nm 转换为µm ，用于气体检测或显微成像技术。.
• 生成窄线宽激光源，用于针对特定原子跃迁进行原子冷却和捕获应用。.

此外，PPLN常被用于倍频高功率可调谐1550nm光纤光源，作为钛蓝宝石激光器的低成本、紧凑型替代方案。这种光源可用于活细胞成像的显微系统，或用于太赫兹时域光谱分析，后者可用于识别化学指纹，以应用于国土安全领域。.

PPLN器件常用于光参量振荡器中产生高功率中红外光。可调谐中红外系统广泛应用于各种显微成像技术以及环境成像光谱学应用。这些中红外光源的脉冲能量超过1mJ，因此也被国防工业用于激光对抗和激光雷达系统。.

太赫兹生成

太赫兹（1-10THz）辐射在日常生活中有着重要的应用，例如安检、生物医学和质量检测。铌酸锂（LN）晶体由于其强非线性、高光折变损伤阈值以及在红外光谱区域的小吸收系数，是产生太赫兹辐射的最佳材料之一，可利用超短飞秒脉冲激光器或连续波光源进行相位匹配µm此类晶体已被用于以多种方式产生太赫兹辐射，例如周期极化晶体中的光整流，以及太赫兹参量振荡器或注入式种子太赫兹参量发生器中的相位匹配操作。MgO:PPLN晶体是一种很有前景的候选材料，因为可以通过针对特定应用设计的周期极化结构来优化其相位匹配条件。在这种情况下，MgO:PPLN晶体可以通过光整流效应产生多周期太赫兹^脉冲。 MgO:LN波导也可用于连续波太赫兹差频产生，方法是在LN表面波导内实现非共线发射方案中的相位匹配。波导的优势在于可以减小相互作用波前的面积，从而最大限度地减少太赫兹吸收损耗^³ 。

飞秒激光器

光频梳是一种由等距窄线组成的µmµm与光钟和碱金属原子的电子跃迁具有良好的重叠，而中红外波段的频率梳则可用于分子检测的振动光谱学研究^³。中红外频率梳通常由非线性光学技术产生，例如差频产生（DFG）和光参量振荡（OPO），这些技术能够提供高平均功率、高单线功率和窄线宽。一种高效的DFG方法是将放大并展宽光谱的飞秒近红外激光器的光谱分成µm部分，分别用作DFG的激发光和信号光µm研究人员展示了一种简单而强大的方法，⁴ µm中红外大气窗口。使用 MgO:PPLN 的同步 p µm ped OPO 提供了另一种将飞秒近红外频率梳转移到中红外区域的有效方法⁵ 。

生物光子学

基于激光的光谱学和显微镜技术正日益成为生物化学和医学应用中不可或缺的工具。相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）是一种非线性过程，它不仅像拉曼光谱一样对分子振动特征敏感，而且还利用多个光子来探测分子振动，并产生相干信号。CARS 通过使用 ap µm p 和探针，使斯托克斯波与样品相互作用，从而产生包含分子振动信息的反斯托克斯波^⁶。CARS 还可以与其他非线性成像技术相结合，例如双光子激发荧光显微镜（TPEF）和二次谐波产生（SHG），并利用多通道输出方案在同一显微镜系统上进行成像。这种结合成像方法的技术称为多模态 CARS，可用于各种需要结构和化学特异性图像对比度的应用。研究人员利用MgO:PPLN晶体构建了一个紧凑可靠、可调谐、无需同步的连续波种子光参量放大器（OPA），并搭配了一台稳健的商用皮秒pµmpµm。另一个MgO:PPLN倍频晶体用于产生可见光谱，以激发CARS反斯托克斯信号。该激光器和OPA组合已被证明非常适用于在表层探测几何结构中进行无标记CARS以及同步倍频（SHG）和双光子激发荧光（TPEF）显微成像^⁷。

荧光寿命成像显微镜（FLIM）是一种强大的成像技术，其原理是基于样品中荧光团光子发射指数衰减速率的差异。FLIM是观察细胞和组织中特定分子和蛋白质定位及迁移的有效工具。荧光寿命取决于荧光分子的类型及其周围环境，而对荧光分子浓度、光漂白和激发/检测效率的依赖性很小。与荧光强度相比，FLIM具有更高的定量性。研究人员提出了一种基于二维图像像素与频分复用射频信号一一对应关系的无扫描全场FLIM技术。该技术利用飞秒激光器、PPLN晶体和分束器获得双光梳光频。它将在生命科学领域实现快速定量荧光成像方面发挥重要作用^⁸ 。

量子µm光学

“量子µm技术（QT）是一个令人兴奋的科学领域，它已经对我们的生活产生了影响。”

量子技术的影响将在未来几年不断增强，非线性光学（NLO）晶体将在该技术的商业化过程中发挥关键作用。预计量子技术将在以下三个主要类别的多种应用中发挥作用：

MgO:PPLN 晶体可以利用µm不同的机制（例如二次谐波产生、s µm频率产生、自发参量下转换、差频产生、光参量放大等）实现频率转换，这使得它们成为在其传输窗口内产生窄线宽、高光束质量、稳定光源的非常灵活的解决方案。.

激光冷却和捕获技术是将原子冷却至接近绝对零度，并将这些原子限制在阱中并使其稳定存在的技术。处于基态的原子可以存储量子µm信息，而高激发态里德堡原子之间的长程相互作用µmµm信息协议。原子干涉测量技术提供的高精度和可扩展性使其能够更灵敏地探测重力特征，例如更小的尺寸或更大的深度。许多原子光学应用都倾向于使用高激光功率，同时保持窄线宽和高空间光束质量。例如，在利用冷原子干涉测量技术的重力传感和原子钟等应用中，磁光捕获铷原子需要从1560nm光源（二次谐波产生）产生780nm波长的^光。在这些应用中，商用现成 (COTS) 1560nm 电信激光器可以高效地倍频至 780nm，对于波导解决方案，转换效率已达到 70%^¹⁰ 。将 COTS p µm p 激光组件与倍频晶体相结合，可以经济高效地产生 780nm 功率和窄线宽，从而支持铷原子捕获。

冷却和捕获的铷原子的量子微米特性µm可以µm超精确的重力测量，这具有许多潜在的实际应用。” µm 负责人 Tristan Valenzuela 表示。

量子µm密钥用于安全数据传输。它允许双方共享一个只有他们知道的随机密钥，该密钥可用于加密和解密消息。422nm ↔ 1550nm 的双向转换（SFG/DFG）有助于量子µm密钥分发（QKD）。该应用需要在用于囚禁离子量子比特的短波长原子跃迁和用于低损耗光纤传输的电信 C 波段之间进行高效转换。使用特殊设计的 PPLN 晶体已在单光子水平上实现了 422nm（Sr+ 发射）和 1550nm 之间的上转换和下转换，从而为构建大规模量子微米网络提供了关键组件µm 11 </sup> 。

环境感知

环境监测变得尤为重要，而空气µm工业生产过程中的各种活动造成的。多项国际协议呼吁限制和减少二氧化碳及其他气体的排放。中红外波段包含多种气体的基本振动-转动吸收带，这使得利用合适波长的激光器对大气进行远程或局部气体分析成为可能。这些激光光源广泛应用于大气污染监测和遥感探测，例如差分吸收激光雷达等技术。由于其宽调谐范围和窄线宽，^基于 µm。

激光遥感技术广泛应用于环境分析。高功率单频激光系统因其高空间和时间相干性而备受关注。研究人员利用MgO:PPLN晶体制造了一种高功率激光系统，并将其与铷原子阱配合使用，µm产生高灵敏度的重力测量数据。这项技术在诸多领域具有实际应用价值，例如在土木工程项目开工前识别道路下方的基础设施。铷µm阱还可用于µm气候监测活动，例如测量地下水位、遥感测绘和冰量监测。

结论

MgO:PPLN 是一种非线性光学晶体，可在 400nm-5100nm 波长范围内实现高效波长转换，使用户能够产生传统光源难以实现且成本高昂的窄线宽波长。Covesion Ltd. 拥有超过 20 年的制造经验，为全球光学研究实验室和 OEM 厂商提供 PPLN 体晶体和波导。Covesion 拥有体晶体极化和波导制造方面的专利创新技术，能够满足客户的各种需求。.

我们与全球合作伙伴携手，将我们的晶体和波导集成到各种科学µm中，包括光学光源和cto、频率梳、频率转换器、重力仪等等。我们设计和制造的PPLN产品可用于多种光谱学或环境科学应用。这些应用包括用于气体光谱学的窄线宽激光光源，以及用于荧光光谱学特定波长的皮秒和飞秒超快激光光源。我们的产品已成功集成到µm现有系统中，为未来开发新型应用奠定了基础。我们种类繁多的体晶体和波导常用于量子µm系统，在这些系统中，窄线宽激光器可用于探测特定的原子跃迁。Covesion PPLN晶体可用于多种冷原子应用，例如利用Rb、Sr、Be和Ca，以及纠缠光子产生、传感与探测、量子µm计算和冷原子应用。我们还帮助用户开发创新的实验和实际应用。我们的团队可以与您探讨您的需求，并利用其在PPLN工程领域无可比拟的实力，为您提供合适的解决方案。这意味着无论您的光源是脉冲式还是连续波（CW），我们都能提供适用于各种µm和功率范围的解决方案。如果我们没有符合您需求的现货产品，我们可以根据您的具体要求定制晶体和波导。.

参考

1. Y. Liao 等人，“利用光学涡旋减少水下激光雷达系统中的散射杂波”，IEEE 光子技术快报，第 34 卷，第 17 期，第 927-930 页，2022 年。.
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5. M. Vainio 等人，“用于高精度分子光谱的全稳定中红外频率梳”，《光学快报》，第 25 卷，第 4190 页，2017.
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7. D. Xu 等人，“用于多模 CARS、SHG 和双光子显微镜的宽可调谐无同步皮秒激光源”，生物医学光学快报，第 12 卷，第 1010 页，2021 年。.
8. T. Mizuno 等人，“利用双梳光学拍频的光谱映射和频率复用实现全场荧光寿命双梳显微镜”，《科学进展》，第 7 卷，2021 年。.
9. Diviya Devani 等人，“重力感应：6U 立方体卫星上的冷原子陷阱”，CEAS 空间杂志，卷。 12，p。 539–549, 202
10. Sam A. Berry 等人，“MgO:PPLN 中 Zn 扩散的切割脊波导以 70% 的效率产生 1 瓦 780 nm SHG”，OSA Continu µm ，第 2 卷，第 12 期，第 3456-3464 页，2019 年。.
11. Thomas A. Wright 等人，“用于将 422 nm 的 Sr+ 跃迁与电信连接的双向光子接口”，《物理评论应用》，第 10 卷，第 044012 页，2018 年。.
12. DB Kolker 等人，“用于痕量气体分析的可调谐中红外激光源”，J. Phys.: Conf. Ser.，第 2067 卷，2021 年。.
13. D. Popa 等人，“迈向集成中红外气体传感器”，传感器，第 19 卷，第 2076 页，2019 年。.