一文详解PPLN晶体基本应用

摘要：

PPLN可用于单通结构的SHG，泵浦聚焦在晶体长度的中心。为了达到最佳效率，要达到Boyd-Kleinman聚焦状态。这就是光斑的大小，晶体长度与共聚焦参数的比值是2.84。

正文

1．二次谐波产生

ppln可用于单通结构的SHG，泵浦聚焦在晶体长度的中心。为了达到最佳效率，要达到Boyd-Kleinman聚焦状态。这就是光斑的大小，晶体长度与共聚焦参数的比值是2.84。

SHG相互作用所能达到的最佳转换效率也取决于以下几个因素:

连续波或脉冲泵源

输入功率:在高功率时，可达到增益饱和

泵浦/SHG波长:在低增益时，涉及更高能量光子(短波长)的相互作用，转换效率更高。

1064nm→532nm

对于低增益连续波，典型的转换效率为2%/Wcm。例如，对于1.5W的1064nm泵浦，40mm长的MgO:PPLN晶体，532nm的预期输出是180mW。在更高的功率下，Covesion在10W光源下可以达到1.5%/Wcm，在532nm波长下从20mm长的晶体产生3W。

在连续波系统中，腔内的转换效率已被证明超过50%。对于纳秒源(~10KHz，~50uJ)，通常可以达到50%的效率。

1550nm→775nm

掺铒光纤激光器的倍频也很常见，例如775nm或780nm的产生。对于一个连续波源，通常可以实现0.6%/Wcm的低增益。在高功率下，在一个长40mm、泵浦功率为30W的晶体中，在780nm处产生11W功率的效率为0.3%/Wcm。

对于纳秒源，在单通脉冲系统中已经证明了高达80%的转换效率。对于飞秒源，使用1mm晶体长度，客户报告在~100fs、100MHz和几百mW的平均功率下，效率可达40-60%。由于非常宽的温度接受带宽，我们的MSHG1550-0.5-1晶体可以在室温下使用，没有温度控制器，在1550或1560nm产生SHG。

2．产生差频

PPLN常用于产生中红外的DFG装置，可调谐Ti:S激光器和1550nm激光器，或1064nm光源和可调谐~1550nm激光器。最佳效率需要两个泵浦光的共聚焦，即晶体长度与共聚焦参数的比值为1。对于连续光系统，效率可以达到0.3-0.4mW/W2cm。

3．光参量振荡（OPO）

PPLN最常见的用途之一是用于光参量振荡器(OPO)。OPO的原理图如上所示。常见的装置使用1064nm泵浦激光器，可以产生比泵浦光波长长的信号和闲频光。精确的波长由两个因素决定:能量守恒和相位匹配。能量守恒要求一个信号光子和一个闲频光子的能量之和必须等于一个泵浦光子的能量。因此，无限数量的光子组合是可能的。然而，将有效地发生的组合是满足周期性极化的铌酸锂晶体的准相匹配的条件。准相位匹配的波长组合，也称为实验波长，可以通过改变PPLN的温度或使用不同的极化周期的PPLN来改变。基于PPLN的Nd:YAG泵浦OPOs能有效地产生波长在1.3 ~ 5μm之间的可调谐光，甚至能产生较低效率的波长更长的光。PPLN的OPO用脉冲或连续泵浦激光器泵浦可以产生几瓦的输出功率。

在共聚焦的条件下，泵浦与谐振信号光或闲频光，可以获得最小的振荡阈值，即晶体长度与共聚焦参数的比值为1。典型的单共振连续波OPO的泵浦阈值约为1-2W。

4．和频的产生

为了实现高效的SFG，理想情况下两个泵浦光共聚焦到PPLN中(即晶体长度与共聚焦参数的比值为1)，并且两束光的功率大致相等。PPLN中的SFG常用于需要对频率进行精确控制的原子或离子的激光冷却。由1051nm和1551nm产生626nm光的效率达到3.5-2.5%/Wcm。这里，效率η定义:  

其中P是每个波长的功率，l是晶体长度。从1051nm (8.5W)和1551nm (8.3W)的产生7.2W的626nm光的效率已被证明为44%。在1064nm和1319nm的产生589nm时，转换效率为3.2%/Wcm。

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审核编辑：汤梓红