非线性晶体何以在光参量振荡器（OPO）设计中大放异彩？

一、什么是非线性晶体？

非线性晶体是一类特殊光学材料：光线穿过时，其响应程度随光强变化，能改变光的频率、相位、偏振态（源于晶体非对称晶格的二阶非线性极化率）。常用材料包括LBO、BBO、KTP、LN、CLBO以及GaSe等。

            图1 多光栅周期极化铌酸锂晶体（首图）

以下是常用非线性晶体在光学和非线性特性方面的比较：

                                 表 1 常用非线性晶体性能对比表

二、核心能力：参量频率转换

借助非线性晶体，可实现新波长激光的生成：

    •    倍频（SHG）：1 束光→波长减半；

    •    和频（SFG）：2 束光→波长更短；

    •    差频（DFG）：2 束光→波长更长。

搭配准相位匹配（QPM）技术，能有效消除光束走离效应，提升非线性系数，进而大幅提高频率转换效率，优化新生成激光的光束质量。

       图2 三种相位匹配状态的波矢关系

三、明星材料：PPLN晶体

周期极化铌酸锂（PPLN）是QPM领域的“优等生”：

    •    基于铌酸锂（铁电晶体），通过高压电场极化出周期性结构；

    •    可定制极化周期、集成多周期通道，还能通过温控调节匹配波长；

    •    扇形光栅设计可实现宽波长调谐，是 OPO 的理想介质。

                    图3 单光栅周期极化铌酸锂晶体

PPLN 晶体中的扇形光栅，是一种经过特殊设计的周期性极化图案，能够在一定波长范围内实现准相位匹配。这种光栅在光学参量振荡器（OPO）系统中尤为实用，特别适合需要宽波长调谐或同时产生多波长激光的应用场景。

                               图4 周期性极化铌酸锂（PPLN）的制备

四、PPLN+OPO：波长调谐 “全能选手”

光学参量振荡器（OPO）以 PPLN 为核心，由泵浦源、增益介质、谐振腔组成，能将泵浦光转化为可调谐的信号光 / 闲频光。

    •    结构类型：单谐振 OPO（更常用）、双谐振 OPO（阈值低但设计复杂）；

    •    工作模式：

    •    连续波 / 长脉冲：用长晶体提效，但对泵浦光谱要求高；

    •    短脉冲：需同步泵浦（腔长匹配重复频率），光纤反馈式可实现紧凑低重复频率设计。

                        图5  OPO系统典型结构示意图

五、PPLN-OPO 的实力：高效 + 宽谱

    •    连续波模式：以 1μm 波段激光器作为泵浦源，可获得 3.55 W 的3.25μm 中红外光1；

    •    纳秒脉冲模式：在纳秒脉冲工作模式下（脉冲宽度 200ns，重复频率 300kHz），成功实现3.75μm 光输出 10.82W 2；

    •    超短脉冲模式：70 fs激光器泵浦的 PPLN-OPO系统，输出波长覆盖 1450-4000nm，拓展后可达可见光波段（610–970nm）3。

六、OPO 的应用：覆盖多领域 

    •    科研：光谱分析（拉曼 / 红外）、材料 / 生物研究；

    •    检测：环境监测、气体传感；

    •    成像：双光子显微镜、CARS 显微；

    •    安防：红外干扰、激光雷达。

总结

非线性晶体（如 MgO:PPLN）是获取特殊波长的核心方案，而 Covesion 作为 PPLN 产品领导者，可提供定制方案与全流程技术支持，助力各类波长转换应用落地。

参考文献

1.WR Bosenberg, A Drobshoff, JI Alexander, LE Myers, RL Byer, “93% pump depletion, 3.5-W continuous-wave, singly resonant optical parametric oscillator,” Optics letters, vol. 21, no. 17, pp. 1336-1338, 1996.

2.Y He, Y Ji, H Wan, D Yu, K Zhang, Q Pan, J Sun, Y Chen, F Chen, “High-power mid-infrared pulse MgO: PPLN optical parametric oscillator pumped by linearly polarized Yb-doped all-fiber laser,” Optics & Laser Technology, vol. 146, p. 107547, 2022.

3.C Gu, M Hu, L Zhang, J Fan, Y Song, C Wang, DT Reid, “High average power, widely tunable femtosecond laser source from red to mid-infrared based on an Yb-fiber-laser-pumped optical parametric oscillator,” Optics letters,, vol. 38, no. 11, pp. 1820-1822, 2013.

4.https://covesion.com/knowledge-hub/white-paper-periodically-poled-lithium-niobate-ppln-used-for-optical-parametric-oscillator-opo-applications/

产品特点：

    •    高非线性系数，转换效率出众；

    •    MgO 掺杂，损伤阈值高、稳定性强；

    •    350nm~5μm 超宽波段，支持多非线性过程；

    •    适配 CW 至飞秒全激光类型，兼容性广；

    •    晶体 / 光纤耦合 / 波导等多形态，集成便捷；

    •    科研 / 国防 / 工业多场景验证，支持定制。