白皮书：用于光参量振荡器 (OPO) 应用的周期性极化锂µm铌酸盐 (PPLN)

非线性晶体

非线性晶体是一类光学材料，它们在与光相互作用时会表现出特殊的性质。与光和介质之间的线性光学相互作用（µmµm的影响强度不随光强变化）不同，非线性晶体的响应与光强成正比，从而改变光的频率、相位和偏振等性质。这类晶体对入射光的非线性响应本质上源于其不对称晶格
结构引起的χ(2)非线性。

制造非线性晶体的材料有很多种，其中最流行的非线性晶体有：三硼酸µm（LBO）、β-µm钡（BBO）、磷酸钛µm（KTP）、铌酸µm（LiNbO3）、µmµm锂（CLBO）和硒化µm（GaSe）。

下面从光学和非线性特性方面对常用非线性晶体进行比较：

参数频率转换

利用非线性晶体进行频率转换是一种广泛用于产生不易获得的新光频率/波长的方法。.

例如，二次谐波产生 (SHG) 将单个激光的波长转换为半 n µm的激光；s µm频率产生 (SFG) 将两个单独的激光相乘，产生波长比原始波长更短的新激光束；差频产生 (DFG) 将两个单独的激光相加，但产生波长比原始波长更长的新激光束。.

此外，准相位匹配（QPM）允许选择晶体内部的光传播角度，从而利用材料在非线性相互作用中的最大非线性系数。与双折射相位匹配相比，准相位匹配在消除空间走离和提高非线性系数方面取得了显著进步，这可以有效提高频率转换效率并改善所产生新波的光束质量。.

周期性极化锂µm铌酸盐

周期性极化锂µm铌酸盐（PPLN）是一种典型的工程化准相位匹配（QPM）材料，适用于高效的非线性波长转换过程。.

作为一种铁电晶体，铌酸µm的晶胞具有较小的电偶极矩，且电偶极矩的方向取决于晶胞内锂µm和铌酸µm离子的位置。施加高电场可以反转晶胞内的晶体结构，从而改变电偶极矩的方向。.

为了制备周期性极化铌酸锂（PPLN），首先利用光刻技术在微米µm铌酸锂晶片上形成周期性电极结构，然后将晶片置于电极下方，并对这些电极施加高电压，从而形成具有所需形状的周期性极化区域。晶体所需的极化周期取决于参量工艺中相互作用波长的相位匹配条件。通过设计具有不同极化周期的PPLN，可以调整相位匹配波长。.

为了扩展工作波长，可以在单个PPLN晶体上制作多个不同极化周期的通道。此外，通过调节PPLN晶体的温度，可以进一步控制相位匹配波长。.

PPLN中的扇形光栅是一种特殊设计的周期性极化图案，可实现一系列波长的准相位匹配。这些光栅在光参量振荡器（OPO）装置中尤为有用，因为在这些装置中需要宽调谐范围或同时产生多个波长。扇形结构中的光栅周期沿晶体宽度方向逐渐变化。扇形光栅使OPO系统能够实现宽调谐范围，在固定温度下，可以通过移动p µm光束沿光栅来调节信号光和闲置光的波长。.

总体而言，PPLN 在相位匹配设计方面提供了极大的灵活性，适用于各种参数频率转换。.

光参量振荡器

PPLN在产生新波长光源方面最常见的应用之一是在光参量振荡器（OPO）中。与典型的激光振荡器类似，OPO由ap µm光源、medi µm增益介质和谐振腔组成。.

OPO 不使用稀土离子掺杂材料作为激光振荡器，而是采用非线性材料（例如 PPLN）来产生参量过程，从而将 p µm p 波长频率转换为不同的波长。.

OPO 的最大进步在于能够从单个入射激光束产生可调谐的相干辐射。.

当入射激光束（记为 p µm p）与非线性晶体相互作用时，在相位匹配条件下可以产生两束新的光束，分别记为信号光和闲置光。这可以理解为一个 p µm p 光子根据能量守恒定律分裂成一对光子。.

初始参量产生建立在量子µm噪声之上，信号波和闲频波在每次通过非线性晶体时，都会在光参量振荡器（OPO）谐振腔的谐振作用下被放大。因此，必须达到一定的pµm阈值（取决于OPO谐振腔的设计）才能实现稳定的振荡。根据OPO谐振腔的反射镜是谐振单个信号波还是同时谐振信号波和闲频波，OPO谐振腔有两种配置：单谐振OPO和双谐振OPO。.

双谐振光参量振荡器（OPO）的p µm阈值比单谐振OPO更低，但其腔长受到限制，以满足信号波和闲频波的谐振条件。因此，在实际应用中，单谐振OPO通常比双谐振OPO更常见。在某些情况下，p µm光束还可以被腔镜之一反射，形成双程p µm配置，以提高频率转换效率。.

OPO 可以根据 p µm p 激光源在连续波 (CW) 或脉冲模式下工作，因为 OPO 通常会产生与 p µm p 激光器¹。当 p µmp µm µm有限，较长的晶体需要更窄的光谱µm 。

短脉冲（皮秒或更短）的皮微米级光参量振荡器（p µm ped OPO）需要腔长与皮µm级重复频率相匹配，以确保谐振往返时间等于皮µm脉冲之间的时间间隔。这被称为同步皮µm级光参量振荡器。在选择晶体长度时，需要防止不同波长短脉冲之间的时间偏移，这种偏移源于非线性晶体中的群速度色散。.

通常，同步的p µm脉冲光参量振荡器（OPO）产生的脉冲重复频率与p µm脉冲的重复频率相同，尽管也可以实现更高次谐波重复以满足时间同步要求。由于同步p µm脉冲需要非常长的腔长，因此开发低重复频率的短脉冲OPO通常具有挑战性。目前已有一些技术被报道可以克服这些问题，例如，一种具有短腔长的高次谐波OPO已成功实现了1MHz的重复频率。².

光纤反馈光参量振荡器（OPO）是另一种在保持腔体紧凑的同时，以低重复频率运行短脉冲OPO的解决方案。³.

PPLN在OPO中的应用示例

PPLN晶体具有高非线性系数、宽光谱透明度和QPM能力等吸引人的特性，使其成为OPO开发中用于各种应用的最佳非线性µm之一。.

最常见的光参量振荡器（OPO）µm1微米激光器驱动，产生可调谐的输出波长，覆盖近红外（1.2-2.0微米）和中红外（2.0-5.0微米）波段。在连续波（CW）运转模式下，基于PPLN的OPO实现了93%的p_µm耗尽率，可将86%的p_μm光子转换µm闲频输出，并在3.25微米处产生3.55瓦的中红外光<sup> ⁴ 。在高功率运转模式下，已证实CW PPLN OPO可在3微米处产生7.54瓦的最大功率^µm 。与需要窄光谱p µm µm µm光谱的要求较低，并且往往具有更低的p_µm阈值。，在纳秒级（200ns，300kHz）下运行的高功率光纤激光器-p µm ped PPLN OPO 在 3.75µm 处产生高达 10.82W 的µm⁶ 。

同时，PPLN OPO在超短脉冲范围内表现出良好的性能。例如，基于PPLN的1 MHz OPO已被证实能够提供可调谐的信号脉冲（1329-1641 nm）和闲频脉冲（2841-4790 nm）（脉冲宽度为137 ps），其中最大 µm ，最大闲频脉冲能量为5.1 µJ^µm 。基于PPLN的飞秒OPO
µm能够产生覆盖1450-4000 nm的宽可调谐输出。此外，PPLN OPO内部的二次谐波（SHG）和和频（SFG）等频率混频作用，使其波长可调谐范围扩展至可见光区域（610-970 nm）^⁸ 。

OPO 应用

由于能够产生可调谐波长，光参量振荡器（OPO）激光器是一种用途广泛的光源。光谱学研究光与物质的相互作用，重点关注物质如何吸收、发射或散射光，从而揭示其化学成分、分子结构和物理性质。可调谐OPO激光器在该领域发挥着至关重要的作用，它能够提供精确可调的波长，从而在宽光谱范围内进行详细而准确的测量。OPO激光器在医学和生物学研究、材料研究以及环境监测等领域有着广泛的应用。^{^9,10,11,12}与拉曼光谱和红外吸收光谱类似，OPO激光器也可用于分析分子结构和化学成分。

在环境监测和气体传感领域，光参量振荡器（OPO）可用于检测特定分子。OPO激光器也可用于显微镜成像。它能够灵活地精确控制激发波长并优化成像条件。利用其可调谐性，可以匹配荧光团的激发峰，例如在双光子显微镜中，使用近红外光激发可见光范围内的荧光团，从而实现深层组织成像。在二次谐波/三次谐波显微镜中，可以调节OPO波长以增强特定组织的信号对比度。中红外输出可用于直接红外吸收成像或光谱分析。在相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微镜中，OPO非常适合产生皮米µm和斯托克斯光束，用于振动成像。.

可调谐波长使其能够针对特定分子振动进行调控。光参量振荡器（OPO）激光器也可用于国防和安全领域。由于其输出波长为中红外波段，因此可用于干扰红外制导导弹。此外，通过调节激光波长以最大限度地减少大气吸收，它还可用于激光雷达（LIDAR），从而实现高分辨率测绘和目标探测。.

总结

总之，非线性光学晶体为产生直接激光源难以获得的多种波长提供了一种切实可行的解决方案。利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。.

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参考

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