QPM準相位匹配技術，非線性晶體中實現高效波長轉換的關鍵，PPLN

時間：2025-05-07 來源：新特光電訪問量：1370

QPM準相位匹配技術是PPLN晶體等非線性晶體能夠實現高效波長轉換的關鍵，通過不同的QPM準相位匹配配置，可以應用在SHG二次諧波產生，OPO光學參量震蕩等等應用。這些QPM準相位匹配配置在低功率高效率的可見光和中紅外生成、量子光學中的糾纏光子對生成以及紅外單光子傳感等應用中表現出色。希望通過下文簡單的介紹讓您對非線性晶體的QPM準相位匹配配置有一個初步的了解。

準相位匹配（QPM）憑借其在非線性材料中工程相位匹配條件的獨特能力，能夠超越傳統雙折射相位匹配（BPM）所能實現的各種應用。例如，在各種波混合配置下，在選定的非線性材料的全透明范圍內實現高效波長轉換，針對不同應用設計和實現不同的QPM準相位匹配配置以及通過基于QPM的波導提高轉換效率。這些QPM準相位匹配配置在低功率高效率的可見光和中紅外生成、量子光學中的糾纏光子對生成以及紅外單光子傳感等應用中表現出色。

QPM準相位匹配（Quasi-Phase Matching）是一種通過周期性反轉非線性材料的極化方向來實現相位匹配的技術。與傳統雙折射相位匹配（BPM）相比，QPM能夠充分利用非線性材料的全透明波長范圍（例如PPLN的350nm~5000nm），并使用最高的非線性系數（如PPLN晶體的d??=25.3pm/V），從而實現高效波長轉換。

由于空間走離問題一般不會發生在QPM準相位匹配配置中，如果需要，也可以使用更大的晶體的長度進行效率優化（50mm的PPLN是常用的長度，但是如果有需要，也可以使用80mm長度的PPLN）。這使得能夠通過不同的混波配置進行有效的波長轉換，以實現應用優化。圖1中示出了混頻配置（SHG/SFG/DFG/OPA/OPG/OPO）的示例。

圖1

通過設計適當的相位匹配周期，QPM準相位匹配技術還將允許特定類型的波混合，例如用于用戶特定應用要求的Type 0、Type I和Type II，如圖2所示。利用QPM，對于所選擇的QPM非線性晶體材料，可以實現所有上述類型，因為可以設計混合波之間的相位匹配條件：

-在Type 0過程中，兩個具有異常極化（extraordinary polarization）的光子會結合生成一個新的具有異常極化的光子。

-在Type I過程中，兩個具有普通極化（ordinary polarization）的光子會結合生成一個新的具有異常極化的光子。

-在Type II過程中，兩個具有正交極化（一個普通極化和一個異常極化）的光子會結合生成一個新的具有普通極化的光子。

圖2

從實際的應用考慮，利用QPM準相位匹配技術進行效率優化有幾種基本的QPM準相位匹配配置，單程通過體塊配置，單程通過波導配置，腔體配置（如OPO）和脈沖配置。

QPM準相位匹配技術不僅能夠實現高效的波長轉換，還支持多種特殊周期結構設計，如級聯、扇形和定制化配置。這些設計為光譜工程和連續波長調諧提供了靈活性，進一步擴展了QPM技術的應用范圍。圖3展示了不同的QPM準相位匹配配置，如均勻（單一）周期QPM配置，多周期QPM配置（可調諧），扇形分布QPM配置（連續可調諧），啁啾QPM配置（頻譜工程）和級聯QPM配置（SHG+SFG/DFG）。

圖3

由于QPM具有沿所需晶體取向沿著設計相位匹配條件的能力，因此還允許在所選周期性極化材料中制造波導的可行性，通過在周期性極化材料中制造波導，QPM技術能夠將晶體效率提升2到3個數量級，比常規的非線性晶體的效率高，因此能夠實現超出相同類型塊體材料所能實現的應用的幾種應用。這些QPM準相位匹配配置在低功率高效率的可見光和中紅外生成、量子光學中的糾纏光子對生成以及紅外單光子傳感等應用中表現出色。準相位匹配（QPM）體塊器件在高功率和大孔徑應用中具有顯著優勢，而QPM波導（Waveguide, WG）則可以通過在長傳播距離內緊密限制激光強度，進一步提高非線性波混頻效率，如圖4所示的QPM體塊器件和QPM波導器件的比較。

圖4

準相位匹配（Quasi-Phase Matching, QPM）憑借其在非線性材料中設計相位匹配條件的獨特能力，使得我們能夠充分利用光子的全維度特性（波長維度從紫外到中紅外/太赫茲，時間維度從連續波到皮秒/飛秒/阿秒，能量維度從單光子到極高光子數（瓦級及以上）），尤其是在選定的非線性材料（如周期性極化鈮酸鋰，PPLN）中。如圖5所示，PPLN的全光譜能力，結合其他互補光子學技術（如DPSS-二極管泵浦固態激光器和光纖激光器、傳感器和光譜儀、其他波長管理技術等），將為多種重要應用領域做出關鍵貢獻。