在激光技術(shù)滲透各行各業(yè)的今天，光參量振蕩器（OPO）憑借可將激光轉(zhuǎn)換至任意所需波段的能力，成為激光雷達(dá)、光譜分析、量子通信等高端領(lǐng)域的核心設(shè)備。其性能優(yōu)化一直是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。而近期一項(xiàng)關(guān)于光參量振蕩器的創(chuàng)新研究，讓LBO 晶體再次成為了非線性光學(xué)領(lǐng)域的 “明星材料”。

線寬難題為何如此關(guān)鍵？

量振蕩器的核心價(jià)值，在于通過(guò)非線性晶體的二階非線性效應(yīng)，將固定波長(zhǎng)的泵浦激光轉(zhuǎn)換為可調(diào)諧的信號(hào)光與閑頻光，從而突破傳統(tǒng)激光器的波長(zhǎng)限制。但在實(shí)際應(yīng)用中，參量光的線寬（光譜寬度）直接決定了設(shè)備性能：

• 在激光雷達(dá)領(lǐng)域，窄線寬意味著更高的測(cè)距精度和抗干擾能力；

• 在光譜分析中，線寬穩(wěn)定性直接影響物質(zhì)成分的識(shí)別精度；

• 在量子信息存儲(chǔ)方面，則要求光源線寬必須控制在特定范圍，才能實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的穩(wěn)定傳輸。

• 傳統(tǒng)技術(shù)中，解決線寬問題的方案始終存在短板：

• 腔內(nèi)插入棱鏡、F-P標(biāo)準(zhǔn)具等色散元件，會(huì)引入額外損耗，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率下降30%以上，甚至提高振蕩閾值；

• 種子光注入法雖能實(shí)現(xiàn)窄線寬，但系統(tǒng)需額外配備種子光源和復(fù)雜的光路耦合結(jié)構(gòu)，體積增加50%以上，且穩(wěn)定性受環(huán)境振動(dòng)影響極大。

• 這些缺陷讓光參量振蕩器在高精度應(yīng)用中始終“力不從心”，直到一種基于雙晶體協(xié)同調(diào)控的創(chuàng)新方案出現(xiàn)——而LBO晶體，正是這一方案的“核心引擎”。

雙晶體協(xié)同 線寬調(diào)控“收放自如”

中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所的最新研究（專利申請(qǐng)?zhí)枺?02410130611.1）提出了一種光參量振蕩器設(shè)計(jì)：在振蕩腔內(nèi)沿光軸方向設(shè)置兩塊不同相位匹配類型的非線性晶體，通過(guò)調(diào)整二者長(zhǎng)度比例，實(shí)現(xiàn)參量光線寬的靈活調(diào)節(jié)。

方案核心邏輯：

1.晶體選型

第一晶體采用I類相位匹配（非線性增益譜寬△λ1），第二晶體采用II類相位匹配（非線性增益譜寬△λ2），且△λ1＞△λ2；

2.協(xié)同作用

當(dāng)兩塊晶體長(zhǎng)度比例在1:9 - 9:1之間調(diào)節(jié)時(shí)，總增益譜寬△λ可精準(zhǔn)控制在△λ1與△λ2之間；

3.動(dòng)態(tài)調(diào)控

通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制晶體在垂直光軸方向平移，實(shí)時(shí)改變有效作用長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)線寬的連續(xù)可調(diào)。

這一設(shè)計(jì)無(wú)需額外色散元件，避免了傳統(tǒng)方案的損耗問題；同時(shí)無(wú)需復(fù)雜外光路，系統(tǒng)體積減少40%以上，穩(wěn)定性顯著提升。而在眾多非線性晶體中，LBO晶體憑借獨(dú)特性能，成為該方案的“最佳拍檔”。

LBO晶體為何能成為“核心引擎”

LBO（三硼酸鋰，LiB3O5）作為非線性光學(xué)領(lǐng)域的“明星材料”，其優(yōu)勢(shì)在該創(chuàng)新方案中被發(fā)揮得淋漓盡致：

1.相位匹配特性“量身定制”

方案中，LBO晶體可通過(guò)切割角度的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，分別滿足I類和II類相位匹配要求：

I類相位匹配LBO：相位匹配角θ=90°，φ=0°- 10°，此時(shí)產(chǎn)生的參量光具有較寬的增益譜寬（△λ1）；

II類相位匹配LBO：相位匹配角θ=0°- 35°，φ=90°，對(duì)應(yīng)較窄的增益譜寬（△λ2）。

這種“同一材料、兩種特性”的優(yōu)勢(shì)，讓雙晶體協(xié)同調(diào)控?zé)o需考慮不同材料的兼容性問題，大幅降低了光路設(shè)計(jì)難度。

2.寬透光+高損傷閾值，適配多場(chǎng)景泵浦光

LBO晶體的透光范圍覆蓋160 - 2600nm，可適配多種泵浦光波長(zhǎng)（1064nm、532nm、1319nm等）。在實(shí)驗(yàn)中：

當(dāng)泵浦光為532nm（綠光）時(shí)，LBO雙晶體系統(tǒng)可產(chǎn)生1000nm信號(hào)光和1137nm閑頻光，線寬調(diào)節(jié)范圍達(dá)1.1nm - 12nm；

即使泵浦光功率提升至2.5W，LBO晶體仍能穩(wěn)定工作，無(wú)明顯光損傷現(xiàn)象——這得益于其＞10GW/cm2的高損傷閾值，遠(yuǎn)超KTP（5GW/cm2）、BBO（7GW/cm2）等晶體。

3.熱穩(wěn)定性優(yōu)異，確保線寬調(diào)節(jié)精度

在高功率泵浦下，晶體的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致相位匹配條件偏移，影響線寬穩(wěn)定性。而LBO晶體的熱導(dǎo)率（約1.2W/(m·K)）是BBO的1.5倍，熱光系數(shù)僅為KTP的1/3，在連續(xù)工作時(shí)溫度波動(dòng)可控制在±0.5℃以內(nèi)，確保線寬調(diào)節(jié)誤差＜0.1nm。

LBO晶體開啟OPO應(yīng)用新場(chǎng)景

這一基于LBO晶體的創(chuàng)新方案，不僅解決了傳統(tǒng)技術(shù)的痛點(diǎn)，更拓展了光參量振蕩器的應(yīng)用邊界：

環(huán)境監(jiān)測(cè)

在大氣成分遙感中，通過(guò)調(diào)節(jié)LBO晶體比例，可將參量光線寬穩(wěn)定在2nm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5、臭氧等污染物的高精度探測(cè)；

醫(yī)療診斷

窄線寬（1.1nm）的1137nm激光可穿透深層組織，且對(duì)生物細(xì)胞損傷小，為光動(dòng)力療法提供了理想光源；

量子通信

線寬可調(diào)的1533nm信號(hào)光可適配光纖通信波段，結(jié)合LBO晶體的穩(wěn)定性，有望實(shí)現(xiàn)量子密鑰的長(zhǎng)距離傳輸。

LBO晶體，不止于“材料”，更是技術(shù)革新的“鑰匙”，自2016年超大尺寸LBO晶體研發(fā)成功后，悅能光電又用了9年時(shí)間初步實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，從毫米級(jí)晶體的精密生長(zhǎng)，到英寸級(jí)產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)，每一步突破都凝聚著團(tuán)隊(duì)對(duì)工藝的極致追求，我們堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新與品質(zhì)把控，讓中國(guó)制造的LBO晶體在全球激光應(yīng)用中占據(jù)重要席位。未來(lái)，我們將繼續(xù)以穩(wěn)扎穩(wěn)打的態(tài)度，推動(dòng)各類晶體材料性能持續(xù)提升，為行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)更多實(shí)實(shí)在在的成果。

此次光參量振蕩器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，再次證明了LBO晶體在非線性光學(xué)領(lǐng)域的不可替代性。從激光頻率轉(zhuǎn)換到超短脈沖調(diào)控，從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)量產(chǎn)，LBO晶體始終以“寬頻帶、高穩(wěn)定、易調(diào)控”的特性，推動(dòng)著激光技術(shù)向更精密、更靈活的方向發(fā)展。未來(lái)，隨著雙晶體協(xié)同方案的產(chǎn)業(yè)化落地，LBO晶體必將在更多高端領(lǐng)域綻放光彩——因?yàn)檎嬲暮诵牟牧?，從?lái)都不只是技術(shù)的“參與者”，更是創(chuàng)新的“驅(qū)動(dòng)力”。

參考文獻(xiàn)：中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所. 光參量振蕩器[P]. 中國(guó)專利:202410130611.1, 2025-08-01.

本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自，公眾號(hào)“悅能光電”《突破線寬調(diào)控瓶頸！LBO晶體如何塑造光參量振蕩器的未來(lái)？》，版權(quán)歸原作者所有，僅用于學(xué)習(xí)、交流用途。如涉及版權(quán)問題或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我們（手機(jī)|微信：13697356016），我們將第一時(shí)間處理或刪除。