白皮书：用于光谱学的周期性极化锂µm铌酸盐

介绍

光谱学是研究物质对光和其他辐射的吸收和发射，以及这些过程与辐射波长之间关系的学科。它通过提供有关材料组成、结构和动力学的宝贵信息，在各种科学和工业领域发挥着至关重要的作用。光谱技术被广泛应用于化学、物理、生物学、环境科学、材料科学、制药等诸多领域。2022年全球光谱市场规模达到160亿美元，预计到2032年将达到约310亿美元，这主要得益于光谱方法在测试领域的应用日益广泛。实验室对新技术的需求不断增长，市场正以7.3%的复合年增长率增长。 ^[1].

效率和多功能性是光谱学的关键cto，因为研究人员致力于及时获取准确、详细的信息。为了满足这些需求，人们不断需要创新且先进的光谱技术，以提供更高的灵敏度、更宽的可调谐范围和更优的信号生成能力。周期性极化铌酸µm（PPLN）已成为各种光谱技术的理想平台，能够高效、灵活地操控光与物质的相互作用。凭借其独特的性质和周期性极化结构，PPLN 具有增强的波长转换能力、更宽的可调谐范围和更高的检测灵敏度。本白皮书探讨了 PPLN 在光谱学应用中的潜力，包括非线性光学光谱、µm频率生成光谱和拉曼光谱。.

PPLN光谱特性

PPLN具有较大的非线性系数，能够实现高效的波长转换和非线性光学信号的产生。其宽广的透明范围覆盖了很宽的光谱范围，使研究人员能够探测电磁波谱的不同区域µm 。此外，PPLN具有很高的损伤阈值，能够承受强激光束。这些特性，再加上PPLN可通过周期性极化实现准相位匹配的灵活性，使其成为光谱学应用领域极具吸引力的材料。.

较大的非线性系数：PPLN 具有较大的非线性系数。最高非线性系数为 d33=25 pm/V，对应于平行于 z 轴的相互作用，即 0 型相位匹配。对于周期性极化的 MgO:LN，有效非线性系数 deff_通常为 14 pm/V，远高于传统的非线性晶体，例如微米µm三硼酸锂 (LBO，0.85 pm/V)、微米级 β-µm钡 (BBO，2.5 pm/V) 或微米µm磷酸钛钾 (KTP，3.4 pm/V)。这一特性使得高效的频率转换过程成为可能，例如二次谐波产生 (SHG)、半µm产生 (SFG)、差频产生 (DFG)、光参量振荡 (OPO) 和光参量放大 (OPA)，这些过程对于各种光谱应用至关重要。

宽广的透明范围：PPLN 具有从紫外 (UV) 到中红外 (mid-IR) 光谱的宽广透明范围µm其透明窗口覆盖约 380nm 至 5μm 的波长。如此宽广的透明范围使得 PPLN 可用于在广泛的波长范围内进行光谱研究。

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学应用至关重要，因为它确保了晶体在严苛的工作条件下保持稳定性和使用寿命。对于飞秒激光源，PPLN可承受高达8GW/cm²的^功率密度。

波长转换的灵活性：通过周期性极化晶体，PPLN 可以呈现准相位匹配 (QPM) 结构。该过程会形成一系列具有相反偏振方向的交替区域。通过选择合适的极化周期，可以调节 QPM 波长以满足特定应用需求。这种波长转换的灵活性使得能够高效、精确地调谐产生或转换的频率，从而用于光谱研究。

宽波长可调谐性：PPLN的准相位匹配（QPM）结构使其能够对产生或转换的波长进行宽波长可调谐。通过调节晶体温度，可以调整相位匹配条件，从而实现宽波长范围内的可调谐输出。这种可调谐性对于需要扫描或获取不同波长的光谱技术而言非常有利。

PPLN在光谱学中的应用

双光子吸收光谱是一种非线性光学技术，它利用分子或材料同时吸收两个光子的过程。当两个低能光子的总能量与通常需要单个高能光子才能实现的电子跃迁所需的能量相匹配时，就会发生这一过程。该技术使用脉冲持续时间较长、波长为近红外（NIR）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。在双光子吸收光谱中，PPLN 被用作倍频器，将近红外激光波长转换为更短的波长，通常在可见光范围内^[2] 。PPLN 具有较大的非线性系数和灵活的波长转换能力，能够高效地对近红外激光进行二次谐波产生（SHG）。通过利用 PPLN 的准相位匹配（QPM）特性，可以显著提高转换效率，从而获得更强、更易检测的双光子吸收光谱信号^[3] 。

和µm光谱（SFG）是一种强大的非线性光学技术，用于研究材料的表面和界面性质^[4] 。它能够提供关于界面处分子振动和相互作用的重要信息，这对于理解表面、薄膜和界面在催化、生物界面和材料科学等各种应用中的行为至关重要。SFG光谱的原理是两个入射光子相互作用产生一个新的频率（s µm频率），该频率等于两个入射光子频率之和的s µm具有高度的表面特异性，能够选择性地探测界面或表面的分子振动，而不会受到本体材料的干扰。这使得它特别适用于研究埋藏界面处的分子结构和动力学。SFG光谱能够提供界面处分子的振动信息，使研究人员能够研究分子取向、氢键和其他相互作用。SFG光谱是一种非破坏性技术，可以在不改变样品的情况下探测表面和界面。而且，SFG对分子结构和取向高度敏感，使研究人员能够研究单层或极薄的薄膜。SFG的表面选择性使其成为研究埋藏界面（例如生物膜或电极-电解质界面）的理想工具。SFG可以与时间分辨测量相结合，使研究人员能够在飞秒时间尺度上研究界面处的动态过程^[5] 。

PPLN是一种能够产生高灵敏度和可调谐相干SFG信号的理想材料。PPLN晶体可以设计成具有不同的周期性，从而使产生的SFG信号能够在很宽的频率范围内进行调谐。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晶体可以设计成覆盖很宽的红外和可见光波长范围，使其与各种激光源兼容。PPLN提供相干SFG信号，可用于相位敏感测量和各种基于相干性的光谱技术。由于其高转换效率，基于PPLN的SFG装置可以实现极高的灵敏度，从而能够研究单层或弱相互作用界面。.

拉曼光谱方面也展现出巨大的潜力，拉曼光谱是一种广泛用于分子鉴定和分析的技术。拉曼光谱能够提供有关分子振动和化学成分的重要信息，但其信号通常较弱，这限制了其灵敏度和在某些情况下的应用。PPLN可以通过受激拉曼散射（SRS）和相干反斯托克斯拉曼散射等过程克服这些限制并增强拉曼信号^[6] 。SRS是一种非线性光学过程，它利用强大的p µm µm的相互作用，导致不同频率的拉曼信号被放大。由于PPLN具有 µm到拉曼频移信号的µm介质研究人员利用 PPLN 晶体构建了用于 SRS 显微镜的全固态激光系统。他们展示了 SRS 显微镜，其像素停留时间为 30 µs，具有高化学对比度、超过 45 的信噪比，并且不需要平衡检测^[7] 。

相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS) 光谱是一种强大的非线性光学技术，可用于无标记化学成像和振动光谱分析。它利用拉曼散射现象来检测和表征分子振动。CARS 光谱涉及三束激光的相互作用：一束 ap µm p 光束、一束斯托克斯光束和一束探测光束。p µm p 光束和斯托克斯光束组合产生一个低频相干反斯托克斯信号，然后使用探测光束进行检测。p µm p 光束和斯托克斯光束之间的频率差对应于感兴趣的振动模式。基于 PPLN 的光参量放大器 (OPA) 系统可以放大二次谐波产生 (SHG) 和 CARS 显微成像产生的成像信号，放大后的光信号强度足以在普通室内光照条件下被偏置光电二极管检测到^[8] 。

用于波长转换的PPLN

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光子 µm 通过非线性过程组合，产生波长为λ SHG的第三个光子_，其中λ _SHG = λ _P /2（或用频率表示为f _SHG = 2f _P ）。

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。.

S µm频率生成 (SFG) _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，差频产生 (DFG) _S 会激发波长为 p µm的光子 λ_{_P S}</sub>的信号光子和闲置光子，其中 λ _{_i} = (1/λ _{_P} – 1/λ _{_S} ) ^{^-1} （或用频率表示为 f _i </sub> = f_{_P} – f_{_S} ）。在此过程中，两个信号光子和一个闲置光子从晶体中射出，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)），可以显著提高效率。

参考

1. https://www.precedenceresearch.com/spectroscopy-market.
2. 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 2 期，第 1010 页，2021 年。
3. H. He 等人，“采用 937nm 倍频全光纤锁模激光器的深层组织双光子显微镜”， 《先进光子学快报》，第 1 卷（2），第 026001 页，2022 年。
4. A. Morita，《S µm频率产生光谱理论》，Springer。.
5. A. Ghosh 等人，“飞秒时间分辨二维振动µm光谱仪器µm研究界面处的结构动力学”， µm评论》 ，第 79 卷，第 093907 页，2008 年。
6. D. Polli 等人，“宽带相干拉曼散射显微镜”，激光与光子学评论，第 12 卷，第 9 期，2018 年。
7. T. Steinle 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》，第 5 卷，2016 年。
8. Y. Sun 等人，“利用光学参量放大进行非线性光学成像（特邀论文）”，创新光学健康科学杂志，第 16 卷，第 1 期，第 2245001 页，2023 年。