PPKTP在光學中的應用與選擇指南

從1960年第一臺激光器被發明出來開始，在非線性光學頻率變換研究領域中，比如倍頻、和頻、差頻以及光參量振蕩等是領域的研究熱點。激光頻率變換技術是利用光波間的相互作用這一非線性過程產生新頻率的光波，要通過這種技術得到更高效率的激光輸出，必須同時具備高質量的非線性材料和高功率、高光束質量的激光泵浦源。隨著工藝制程的進步新型優質的非線性光學材料逐漸被生產出來，使得非線性光學頻率變換技術得到了飛速的發展。其中光學參量振蕩器、全光波長變換器，以及各種倍頻激光器的產品化和實用化是最具有代表性的例子。周期性極化磷酸氧鈦鉀晶體PPKTP是補償波失匹配的非線性頻率變換晶體材料，這種晶體的最初目的很簡單：它被設計為通過二次諧波產生的激光系統的高效頻率轉換器，可將一種波長的光轉換為另一種波長，具有高損傷閾值、高非線性系數、準相位匹配等優勢，在激光器制造、光學設備等行業得到廣泛運用。

周期性極化磷酸氧鈦鉀晶體（PPKTP）是一種非自然存在的人工晶體，根據準相位匹配理論(QPM : Quasi Phase Matching），通過對晶體的非線性極化率的周期性調制可以補償非線性頻率變換過程中因色散引起的基波和諧波之間的波矢失配，而無需常規KTP晶體在做非線性頻率轉換時所需要做的相位匹配調整。且非線性光學效應系數可大幅度提升。而周期極化KTP晶體（PPKTP)就是基于準相位匹配原理的一種特殊的非線性晶體。其非線性系數可達常規體狀KTP晶體的3倍。PPKTP可以根據不同的非線性應用進行定制，并沒有相位匹配的局限性，因此其相互作用長度不受限制，并且可以獲得在整個晶體透過范圍內的整個光譜的諧波輸出。

PPKTP主要特點：

• 高損傷閾值：PPKTP晶體具有很高的永久性高損傷閾值，這使得它在高強度激光環境中表現出色。

• 高非線性系數：其非線性系數高，這使得它成為波長高效轉換的理想材料。

• 準相位匹配：雙折射相位匹配存在玻應廷走離效應，限制了非線性轉換效率的提高，而準相位匹配不存在這樣的缺點，可以在整個晶體長度上實現非臨界匹配，因此其相互作用長度不受限制，并且可以獲得在晶體的透過范圍內整個光譜的諧波輸出

PPKTP晶體主要的應用場景

• 激光器制造：PPKTP晶體可以作為倍頻材料用于中小功率激光器的制造，特別是Nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光器和其他摻釹晶體激光器。這些激光器使用PPKTP晶體進行倍頻，產生重要的綠色光源，已經逐步取代了染料激光器和藍寶石激光器。

• 藍光產生：PPKTP晶體還可與二極管泵浦光、Nd:YAG激光混頻產生藍光，并可調節釹離子激光器輸出波長。此外，它可放大泵浦光及用作可調E-O器件等。

• 光學設備：PPKTP晶體在激光器的倍頻、和頻、差頻、光參量振蕩、光放大等行業得到廣泛運用。另外，它還可以作為電光晶體，用于電光調制器、光波導器件、光開關等行業。

• 測量儀器：PPKTP晶體也被廣泛運用在測量儀器、監測儀器、激光雷達、工業激光加工設備、醫療器械、軍工設備、科研等領域中。

• OPO: 光學參量振蕩器（OPO）類似于光源激光器，還使用一種激光諧振器，但基于光學增益從參量放大中的非線性晶體，而不是從受激發射。

隨著量子光學的最新進展，自發參量下轉換 (SPDC) 過程現已成為 PPKTP 的主要應用。SPDC 是一個將強泵浦光束轉換為相關光子對的過程，即信號和閑頻光。這些相關性是各種量子光源的基礎，例如預示單光子、時間能量或偏振糾纏光子對以及壓縮光。

雖然只考慮這些光源的量子特性很方便，但相互作用的非線性特性起著非常重要的作用。例如，在 PPKTP 中，可以完全控制相位匹配，以便：信號和閑頻信號具有相同的偏振（類型 0）或正交偏振（類型 2）、相同的波長（簡并）或不同的波長（非簡并），沿著泵浦光束的方向（共線）或以某個角度（非共線）發射。type-0/type-2由輪詢周期決定，需要在制造階段確定，而簡并性和共線性可以通過溫度進行微調（為避免在異常溫度下工作，建議預先指定這些參數并調整輪詢周期）。

我們可以更深入地研究這些差異。偏振并不是在 0 型和 2 型相互作用之間變化的唯一光學性質；光譜帶寬、線對速率和溫度耐受性也不同。Ursin 小組的出色工作 [1] 最好地說明了這一點，他們將 0 型和 2 型晶體作為偏振糾纏光子對的來源進行了比較。如圖所示。1、Type-0 比 Type-2 寬得多，并且可以通過溫度調節實現非簡并。此外，作者報告說，0 型的電子對生成數（每納米）大約是 2 型的 10 倍。  

圖 1：比較 0 型和 2 型 PPKTP 晶體的光譜帶寬和簡并性。

讓事情變得更復雜的是，KTP 晶體的色散和長度也會影響光譜帶寬和配對速率。較長的晶體以減少光譜帶寬為代價生成更多對，并且信號/閑頻光子在電信波長（~1550）下比在近紅外（~810）下寬得多。

所有這些例子都表明 PPKTP 是一種用途極其廣泛的組件，因此在選擇合適的晶體之前首先考慮每個應用的需求非常重要。下面我們介紹了 PPKTP 在各種應用中的一些最新用途，并提供了我們推薦的晶體。我們很自豪地說，所有這些知識都來自使用我們 PPKTP 晶體的杰出研究人員，并與科學界分享了他們的發現。如果您認為我們缺少關鍵的應用或研究工作，請隨時與我們聯系。

玻色子采樣和量子干涉

在玻色子采樣中，量子光通常放置在大型干涉儀的輸入處，其中包括光束的多次分裂和重新組合。玻色子采樣依賴于量子干涉（紅歐曼德爾效應），因此受益于高光譜純度。Fedrizzi小組做出了特別的努力，創造了1550nm高光譜純度的非周期極化晶體，中國科大的光子量子霸權實驗也實現了類似的設計。Xanadu和 QuiX最近的量子計算工作在相同波長區域使用了 PPKTP，因為這些波長的純度更高，并且與氮化硅等外圍平臺兼容。Raicol（通過與 Ady Arie 教授合作）開發了一種設計和制造高光譜純度 apKTP 晶體的方法，用于玻色子采樣和接近 1550nm 群速度匹配點的量子干涉。

推薦晶體：Type-2 apKTP 或 PPKTP，溫度為 775->1550。apKTP 提供更高的光譜純度，而 PPKTP 提供更高的配對率。   

量子密鑰分配

PPKTP 作為偏振糾纏光子對的來源，在基于糾纏的 QKD 中發揮著重要作用。在這一領域，有許多可用的選項，具體取決于系統是針對自由空間還是光纖設計。一般來說，探測器效率和 405 nm 激光器的可用性通常會將這些應用推向 810 nm 的糾纏。2 型晶體更易于使用，因為其線寬較窄，可以通過偏振分束器輕松分離信號和閑頻信號，并且對溫度具有魯棒性，而 0 型晶體更寬，并提供更高的成對率，使其成為復用 QKD。 

推薦晶體：Type-0 或 Type-2 PPKTP at 405->810。Type-0 提供更高的配對速率和頻譜帶寬，而 Type-2 則易于使用。

擠壓光

壓縮光通常利用處于強泵浦狀態的晶體（與預示的單光子或偏振糾纏不同），并受益于強非線性響應，因此使 0 型晶體成為有利的選擇。例子包括 Furusawa 小組在 860nm 處具有 9dB 的壓縮 ，Schnabel 小組在 1064 和 1550nm 處演示了 15dB 和 13dB 的壓縮，而 Bowen 小組則使用前者演示了壓縮增強顯微鏡。壓縮光可以產生從 780nm（390nm 泵浦）到 3.8 微米的任何波長，并且是具體應用的函數。

在選擇用于壓縮光應用的晶體時，研究人員應首先確定壓縮是在單程中還是在腔中產生。對于前者，標準晶體就足夠了，而對于最佳參量振蕩器，優選單片或半單片選項。

推薦晶體：0 型 PPKTP，可選半片或全單片。

使用未檢測到的光子成像

未檢測到的光子成像通常使用具有不同簡并度的 0 型晶體。對于基礎研究來說，能夠方便地檢測兩個光子 [而 Ramelow 小組在顯微鏡應用中產生可見光和中紅外閑頻信號。 

推薦晶體：0 型 PPKTP，具有專為非簡并性而設計的周期。沒有比 Ramelow 的 660->800+3800 更好的例子了。

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