PPKTP晶体在波长转换中的特性分析与应用选择

波长转换技术在激光系统、量子光学和光谱分析等领域具有重要作用，其核心是通过非线性光学效应实现高效、灵活的波段调谐。在众多非线性晶体中，周期极化磷酸氧钛钾（PPKTP）以其高损伤阈值和可见波段的低光折变特性，成为高功率波长转换系统的重要选择。本文将从基本原理、晶体特性对比和周期极化技术等方面，分析PPKTP的应用优势与适用场景。

一.二阶非线性效应与常见波长转换过程

基于非线性效应进行波长转换是目前最为广泛、灵活与高效的方式之一。其中常用的为二阶非线性效应和三阶非线性效应：

二阶非线性包括倍频、和频、差频以及各种光学参量转换

三阶非线性会产生四波混频、受激拉曼散射、受激布里渊散射和双光子吸收等现象

通常来说对于大多数材料，二阶非线性效应的极化率 χ(2)要高出三阶非线性极化率 χ(3)几个数量级，这意味着二阶非线性效应（如光学倍频）在实际应用中效率更高，这往往是通过非线性晶体实现的。

基于非线性晶体二阶非线性效应，有很多波长转换过程：

倍频（SHG） 是最常见的波长转换过程，将两个频率相同为f1的光子和非线性晶体作用，产生二次谐波，即频率为2f1的光子。从波长转换的角度来看，即经过非线性晶体后，波长变为泵浦光的一半，例如将1550nm的激光通过Covesion的PPLN晶体倍频为780nm，特别是在原子物理和量子光学领域，如铷原子的激光冷却。

和频（SFG） 结合波长为λ(p)和λ(s)的两个输入光子来产生一个波长为λ(SFG)的输出光子，λ(SFG)=(1/λ(p)+1/λ(s))(-1)。

差频（DFG）与光学参量过程 两个波长为λ(p)和λ(s)的输入光子入射到晶体，频率较低的波长为信号光子λ(s)，激发泵浦光子λ(p)，发射一个波长为λ(s)的信号光子和一个波长为λ(i)的闲频光子，λ(i)=(1/λ(p)-1/λ(s))(-1)。在这个过程中，两个信号光子和一个闲频光子出射，产生放大的信号光场，这被称为光学参量放大（OPA）。将非线性晶体放入一个光学谐振腔内可明显地提高效率，这就是光学参量振荡器（OPO)。

二.非线性晶体选型标准有哪些呢？

在选择合适的非线性晶体时，需重点考虑以下几项核心参数：

透明范围：决定晶体可适用的波长转换区间；

非线性系数：直接影响转换效率，系数越高通常转换性能越优；

相位匹配方式：包括准相位匹配（QPM）、临界相位匹配（CPM）和非临界相位匹配（NCPM等），影响温度调谐和角度调谐等使用条件；

损伤阈值：限制最大可承受泵浦功率，间接制约转换效率和适用场景；

其他物理性质：如抗潮解性、机械强度和温度稳定性等，也需纳入综合评估。

以下为几种常用非线性晶体的关键性能比较：

1.铌酸锂 LiNbO₃ 简称LN

透明范围：350-5200nm，覆盖整个可见光波段以及部分中红外波段。但由于相位匹配的情况以及为了获取稳定有效的输出，一般商业晶体的倍频输出的最低波长止于450nm。

非线性系数：很高。LN的非线性系数d33 ≈27 pm/V，在常规可见光波段的非线性晶体中名列前茅。

损伤阈值：较低，但可以通过掺杂镁（如MgO:LN）来提高光学损伤和光折变阈值。

2.磷酸钛氧钾 KTiOPO₄ 简称KTP

透明范围：350-4500nm。与LN不同的是，KTP可以成功实现紫外波段的波长转换。并且可以实现三倍频，例如从 1108nm 泵浦产生 369nm 光，或从 1064nm 泵浦产生 355nm 光。

非线性系数：中等。例如d31 ≈ 2.2 pm/V，d33 ≈ 14.6 pm/V。

损伤阈值：较高，适用于高功率波长转换。

3.β相偏硼酸钡 β﹣BaB2O4 简称BBO

透明范围：190–3500nm，适合紫外波段的非线性过程。

非线性系数：较低，一般使用d22 ≈ 2.2 pm/V，转换效率会相对较低。

损伤阈值：较高，略低于KTP晶体。

*BBO晶体有易潮解的特性

4.三硼酸锂LiB3O5 LBO

透明范围：160–2600nm，适合紫外波段的非线性过程。

非线性系数：很低，一般使用d31 ≈0.85 pm/V，转换效率会较低。

损伤阈值

三、PPKTP晶体的特性与优势

PPKTP（即周期性极化磷酸氧钛钾晶体）同样是一款应用广泛的非线性晶体，QPM同样带来高效的转换与灵活的可调谐性。但与PPLN不同的是，PPKTP具有更高的损伤阈值，并且在可见光波段（特别是532nm附近）具有低光折变效应，对于高功率脉冲或连续光波长转换系统更加适配。当然，如果您需要输出350-450nm波段的光，那PPKTP是您的不二之选。而PPKTP的厂商则显得更加集中，例如昊量光电独家代理的美国AdvR、以色列Raicol Crystals以及瑞典Svenska Laserfabriken（简称SLF）。

四、周期极化技术的原理与作用

之前提到的PPLN以及PPKTP，都进行了周期极化工艺加工（Periodically Poled），通过高压电场周期性反转（极化）LN或者KTP的晶向，可以补偿不同频率的光子之间，因为折射率变化而产生相位失配。这就是准相位匹配（Quasi-phase matching，QPM）技术，使得随着泵浦光沿着PPLN传播，产生的光子数量将逐步增加，获得高转换效率。

PPKTP晶体凭借高损伤阈值、低光折变效应和灵活的调谐能力，成为高功率波长转换系统的理想材料之一。在实际应用中，用户需根据目标波段、功率等级和系统要求选择适合的晶体类型与供应商。星朗浩宇作为多家国际晶体品牌的中国区合作伙伴，可提供包括PPKTP在内的多种非线性晶体产品与技术支持，为激光与光学系统设计提供可靠解决方案。