在光通信以及量子光學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，非線性光學(xué)晶體扮演著至關(guān)重要的角色售担。它們的特性使得科學(xué)家們得以操控光的波長（Wavelength Engineering）肉康，實現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)換滿足各類應(yīng)用的波長需求。在眾多非線性晶體中灼舍，氧化鎂摻雜周期極化鈮酸鋰（MgO:PPLN或PPMgO:LN）因其卓越性能而備受矚目吼和。PPLN晶體不僅具有高效的非線性光學(xué)效應(yīng)，并且在精確的摻雜與極化工藝的協(xié)助下骑素，性能獲得很大改善炫乓。本系列文章將從非線性晶體的原理出發(fā)刚夺，深入到PPLN晶體的相關(guān)知識，并zui終指導(dǎo)您如何選擇zui合適的PPLN產(chǎn)品方案末捣，為您的實驗添磚加瓦侠姑。
溯本求源：走近非線性晶體（一）
當(dāng)光穿過一種介質(zhì)時，它會在原子和分子水平上與介質(zhì)進(jìn)行相互作用箩做，而這正是光的傳播過程莽红。如果介質(zhì)對光的響應(yīng)呈線性關(guān)系，那這就屬于線性光學(xué)的范疇邦邦，光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律就遵循獨立傳播原理和線性疊加原理安吁。反之怠褐，如果響應(yīng)是非線性的淆两，就屬于非線性光學(xué)的范疇，光在介質(zhì)中傳播就產(chǎn)生全新的頻率师骗，并且不同頻率的光波之間會產(chǎn)生耦合黔龟，獨立傳播原理和線性疊加原理將不再使用妇智。
我們可以采用極化理論進(jìn)行進(jìn)一步討論，可以認(rèn)為光在介質(zhì)中傳播時氏身，將感應(yīng)極化巍棱，所產(chǎn)生的極化強(qiáng)度作為激勵源又將產(chǎn)生光輻射，這即是介質(zhì)中傳播的光波蛋欣。光電場E在介質(zhì)中感應(yīng)產(chǎn)生非線性極化強(qiáng)度P拉盾，介質(zhì)響應(yīng)特性可以通過極化率張量χ表征，對于非線性光纖豁状，該張量χ和光電場E有關(guān)，極化強(qiáng)度P可表示為
如果入射光頻率遠(yuǎn)離介質(zhì)共振區(qū)或者入射光場比較弱倒得，則產(chǎn)生的極化強(qiáng)度和光電場的關(guān)系泻红，可以通過級數(shù)形式來表達(dá)
其中χ(1)、χ(2)霞掺、χ(3)谊路、...分別是介質(zhì)的線性極化率、二階極化率菩彬、三階極化率缠劝、…，分別是二階張量骗灶、三階張量惨恭、四階張量、…耙旦；P(1)脱羡、P(2)、P(3)… 則分別是線性極化強(qiáng)度、二階極化強(qiáng)度锉罐、三階極化強(qiáng)度帆竹、…。相鄰兩項之比為：
E原子代表介質(zhì)中的原子內(nèi)場脓规，典型值為3×1010 V/m栽连。在激光橫空出世之前，普通光源所產(chǎn)生的光電場即使聚焦也遠(yuǎn)小于E原子侨舆，因此那些高階的極化強(qiáng)度也ji小秒紧，使得非線性光學(xué)現(xiàn)象很難被觀測到。直到1960年激光器誕生后态罪，產(chǎn)生的光電場滿足要求噩茄，才推動了非線性光學(xué)的實驗研究。1961年美國密西根大學(xué)的Franken等科學(xué)家通過紅寶石激光器首次進(jìn)行了二次諧波產(chǎn)生的非線性光學(xué)實驗复颈。在1962年Bloembergen等對于光學(xué)混頻等非線性光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了開創(chuàng)性的理論性工作绩聘。而這些具有非線性光學(xué)特性的晶體材料即使非線性晶體。
根據(jù)上面提到的非線性極化率的階數(shù)又可分為二階非線性和高階非線性（三階非線性為主）耗啦。一些材料更容易表現(xiàn)出二階非線性或χ(2)效應(yīng)凿菩，其他材料可能更容易受到三階或者χ(3)效應(yīng)的影響，這種類型完全取決于材料的結(jié)構(gòu)帜讲。其中二階非線性包括倍頻衅谷、和頻、差頻以及各種光學(xué)參量轉(zhuǎn)換似将。而三階的非線性會產(chǎn)生四波混頻获黔、受激拉曼散射、受激布里淵散射和雙光子吸收等現(xiàn)象在验。其中非線性頻率變換是一個重要研究方向玷氏，在光通信、激光器腋舌、光譜學(xué)以及成像中都非常重要盏触，并且由于三階非線性效應(yīng)相比二階的要弱上幾個數(shù)量級，更難觀測到块饺，因此在這篇文章中赞辩，我們聚焦于那些基于二階非線性頻率轉(zhuǎn)換過程。
二次諧波（倍頻）SHG
倍頻是二階非線性過程中zui常見的應(yīng)用授艰，顧名思義辨嗽，是將兩個頻率相同為f1的光子和非線性晶體作用，產(chǎn)生二次諧波淮腾，即頻率為兩倍2f1的光子召庞。從波長來看即是減半岛心，所以常用于將紅外波段的激光高效倍頻為可見和近紅外波段。
應(yīng)用：產(chǎn)生綠光和藍(lán)光篮灼、科研和醫(yī)療忘古、頻率穩(wěn)定、熒光顯微鏡
和頻 SFG
和頻與倍頻類似诅诱，是將兩個頻率不同的光波（f1與f2）輸入到非線性晶體中髓堪，相互作用后產(chǎn)生一個頻率為兩者之和的新光波（f1+f2）。如可以將1550nm的信號光和調(diào)諧的780nm或810nm泵浦源進(jìn)行相互作用娘荡，獲得可調(diào)諧的綠光波長干旁。
應(yīng)用：1550nm級聯(lián)三倍頻、量子光學(xué)：量子糾纏等
差頻 DFG
差頻同樣是涉及到兩個輸入光子（f1炮沐、f2）之間的相互作用争群，頻率較低的信號光子激發(fā)泵浦光子，發(fā)射一個信號光子和頻率為（f1-f2）的輸出光子大年。在這個過程中换薄，兩個信號光子和一個輸出光子出射，產(chǎn)生放大的信號光場翔试。也被稱為是光參量放大(OPA)轻要。
應(yīng)用：中紅光光譜學(xué)、環(huán)境監(jiān)測垦缅、激光雷達(dá)LIDAR和激光對抗
光學(xué)參量產(chǎn)生/振蕩 OPG/OPO
OPG與上面其他非線性過程zui大的區(qū)別在于冲泥，其中只有一個泵浦源（fs+fi）入射到非線性晶體中，由一個光子分解為兩個長波的低能光子壁涎，其中頻率較高的稱為信號光（fs）凡恍，較低的為閑置光（fi）。
如果將非線性晶體放置于光學(xué)諧振腔內(nèi)怔球，讓產(chǎn)生的參量光發(fā)生振蕩嚼酝，可以進(jìn)一步提高效率，即OPO庞溜。如從1064nm的泵浦光產(chǎn)生大范圍可調(diào)諧中紅外激光波段。
應(yīng)用：中紅光光譜學(xué)碑定、環(huán)境監(jiān)測流码、激光雷達(dá)LIDAR和激光對抗
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