铌酸锂晶体的材料特性

二阶非线性

铌酸锂的二阶非线性极化可写为

二维矩阵描述了非磁化张量χ(2)。对于5% MgO掺杂的铌酸锂(MgO:LN)，1064nm，d31=4.4pm/V, d33=25pm/V[1]。

最高的非线性系数为d33=25pm/V，对应于平行z轴的相互作用，即0型相位匹配。换句话说，为了达到最高的转换效率，所有的波长必须都是e偏正。我们所有的晶体都为使用d33系数而设计。对于周期性极化的MgO:LN，有效非线性系数deff通常为14pm/V。

注:Covesion可以为类型I或类型II相互作用提供定制晶体，例如用于产生正交偏振对的纠缠光子系统。

折射率

随温度变化的折射率由 Sellmeier 方程描述：

其中温度相关参数 f 定义为，

Sellmeier系数是

使用 Sellmeier 方程中的这些参数，您可以计算折射率随波长和温度的变化。下表有几个例子。

PPLN 具有高折射率，导致每个未镀膜端面的菲涅耳损耗约为 14%。为了增加透射率，我们的晶体输入和输出面都镀有增透膜，从而将每个表面的反射减少到 1% 以下。

透过率

MgO:LN 和 LN 具有非常相似的透射曲线，并且在 400-4000nm 范围内具有高度透明性。材料吸收发生在 400nm 以下和 4000nm 以上，只要可以克服损耗，PPLN 仍然可以使用。例如，已在 PPLN中演示了产生 7.3um 的脉冲中红外 OPO [4]，但更常见的是，基于 PPLN 的 OPO 通常可以作用到4.5-5um。类似地，对于 紫外区域，在 MgO:PPLN 中使用三阶准相位匹配，已证明可以生成 386nm [5] 和 370nm [6] 的紫外光。

Schwesyg 等人的研究，分析了 MgO:LN 在 300 和 2950nm 之间的吸收损耗 [7]。他们的数据（如下所示）提供了对 400-800nm 之间吸收系数的准确测量。他们的实验还发现在 800-2000nm 之间没有可测量的吸收带。

下图是由Covesion测量的LN和MgO:LN的透射曲线，显示了两种材料的透射范围。测量包括被测样品的输入和输出面的菲涅耳反射，菲涅耳反射约占30%损耗。

注意：在 2826nm 处有一个 OH 吸收带，测量的吸收系数为 0.088cm-1 [7]。

MgO:PPLN 和未掺杂PPLN

未掺杂的 PPLN 通常在 100°C 和 200°C 之间的温度下运行，以最大限度地减少光折变效应，这种效应会损坏晶体并导致输出光束失真。由于在可见光谱部分存在更高能量的光子时，PPLN 中的光折变效应更为严重，因此仅在推荐的温度范围内使用晶体尤为重要。

在铌酸锂中加入 5% MgO 可以显着提高晶体的光学和光折变电阻，同时保持其高非线性系数。 MgO:PPLN 具有更高的损伤阈值，更适合高功率应用。它还可以在室温至 200°C 的温度范围内工作，显着提高了器件的波长可调性。此外，在某些特殊情况下，MgO:PPLN 可以在室温下运行，无需温度控制，例如我们的 MSHG1550-0.5-1（1mm 长）可用于从 1560nm 飞秒光纤激光器产生 780nm。

承受功率和损伤阈值

在Covesion 对晶体进行寿命测试是一个持续的过程。我们使用 10W 1064nm 连续激光器，在 532nm 处产生了 2.2W。PPLN 泵浦强度 >500KW/cm2，工作温度为 35degC，在 2000 小时内保持 2.2W SHG 输出功率，没有损坏晶体，也没有由于光折射导致光束失真的迹象。

MgO:PPLN 或 PPLN 的损伤阈值取决于波长以及光源是连续波还是脉冲波。在 CW 方案中，阈值取决于强度，当涉及可见波长时阈值较低。对于脉冲源，损伤阈值取决于波长、脉冲持续时间、平均功率和重复率。通常，低重复率源的损坏阈值会更高。

如果您认为您的激光接近损伤阈值，那么一个很好的提示是在晶体的未极化区域测试损伤阈值。 Covesion 晶体的标准宽度为 10 毫米，但极化光栅的最大宽度约为 7 毫米。只要未极化区域仍在 AR 镀膜区域内，您就可以使用未极化区域仔细测试是否有损坏。

注意：如果生成可见波长，极化区域的损伤阈值会更低。逐渐增加泵浦功率，同时监测光束是否有任何扭曲或功率突然下降。

下表显示了来自 Covesion 和客户的数据集合，显示了各种制度下的功率处理或损伤阈值。我们不断与客户合作，以丰富有关晶体损伤阈值的可用信息。如果您想为此做出贡献，请发送电子邮件至 sales@covesion.com.

损伤机理

光之折射效应

在高强度条件下，LiNbO3 和 MgO：LiNbO3 容易产生光折变效应，这是一种光学诱导的折射率变化。 （注意，MgO:LiNbO3 的阈值更高）。

在高光强区域，电子作为自由载流子释放，然后在低光强区域重新分布。这会导致材料内折射率发生空间变化，可以观察到光束失真。这可能导致晶体的永久性损坏。但是，在某些情况下，如果影响很小，则可以通过将晶体加热到 200°C 几个小时来逆转损坏，让所有电荷载流子重新扩散。

如果您在损坏阈值附近工作，建议您在 150-200°C 之间的高温下使用晶体。

绿光诱导红外吸收

绿光诱导红外吸收 (GRIIRA) 是一种通过绿光吸收红外线的效果。这会导致局部加热，从而补偿相互作用的相位匹配温度，但最终也会导致晶体损坏。

GRIIRA 的机制来自于晶体缺陷产生极化子，例如 Nb 离子占据 Li 离子位点（称为反位点缺陷）和 Fe 离子杂质。用 MgO 掺杂铌酸锂可减少 GRIIRA 的发生，因为它允许 Mg 离子替代 Nb 反位缺陷。

由于蓝光的红外吸收也发生相同的机制，并被称为BLIIRA(蓝色诱导红外吸收)。

参考文献

1. Compact blue-green lasers”, W. P. Risk, T. R. Gosnell and A. V. Nurmikko, Cambridge University Press, 2003
2. Gayer et al., Applied Physics B 91, 343-348 (2008)
3. D.H.Jundt, Optics Letters V.22 N.20 p.1553-1555 (1997)
4. M. A. Watson et al., Optics Letters, vol. 27, no. 23, pp. 2106–8, ( 2002)
5. R.T. White et al., Applied Physics B: Lasers and Optics, 77(6-7), 547–550 (2003)
6. J. Kim, et al., 2013 IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (pp. 183–184) (2013)
7. J. R. Schwesyg et al., Advances in Optical Materials, AIThE3, (2011)
8. S. S. Sané et al., Optics Express, vol. 20, no. 8, pp. 8915–9, (2012)
9. F. Kienle et al., Optics Express, vol. 18, no. 8, pp. 7602–10, (2010)
10. F. Kienle et al., Journal of the Optical Society of America B, vol. 29, no. 1, p. 144, (2011)
11. P. K. Upputuri and H. Wang, Applied Physics B, vol. 112, no. 4, pp. 521–527, (2013)

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