激光技術的發(fā)展從根本上改變了現代科技的面貌，而非線性光學頻率轉換技術在這一過程中扮演了至關重要的角色。三硼酸鋰（Lithium Triborate, LBO）晶體作為一種性能優(yōu)異的非線性光學晶體，因其寬廣的透明范圍、高光損傷閾值、較大的接受角和較小的走離角等特點，廣泛應用于高功率激光倍頻、和頻及光學參量振蕩等領域。

在這些應用中，非臨界相位匹配（Non-Critical Phase Matching, NCPM）技術尤其重要。它通過調節(jié)晶體溫度來實現相位匹配，大幅度提高了光學頻率轉換的效率和穩(wěn)定性，同時避免了因角度調節(jié)引起的光束偏離效應。本文將圍繞LBO 晶體的非臨界相位匹配展開，探討其原理、優(yōu)勢、典型應用以及選擇與使用方法，以幫助客戶更好地理解并利用這種技術。

LBO非臨界相位匹配是什么

LBO 晶體是一種負雙軸晶體，屬于正交點群 mm2，其非線性光學性能顯著，尤其適用于激光頻率轉換中的倍頻（Second Harmonic Generation, SHG）和和頻（Sum-Frequency Generation, SFG）。非臨界相位匹配是指通過調整晶體溫度，而非角度，來滿足相位匹配條件，從而避免光束走離效應。這種方式不僅可以實現更高效的頻率轉換，還能保證光束質量的穩(wěn)定性。

非臨界相位匹配的核心在于通過優(yōu)化溫度，使晶體內部的折射率在特定波長范圍內滿足相位匹配條件。這一技術避免了角度相位匹配所需的復雜機械調整，同時有效減小了由于光束傳播方向變化引起的能量損失。由于 LBO 晶體具有較寬的透明范圍和溫度調諧范圍，其成為實現非臨界相位匹配的理想材料，廣泛應用于紫外、可見光和近紅外激光波長的頻率轉換。

在 LBO 晶體中，當基波光波長為 1064 nm 時，倍頻光（532 nm）對應的最佳相位匹配溫度通常為約 149°C。這一溫度點使得晶體內的折射率差異滿足相位匹配條件，從而實現無走離角的頻率轉換。

LBO非臨界相位匹配的優(yōu)勢

無走離角和高光束質量

傳統(tǒng)的角度相位匹配因走離效應可能導致光束偏離，降低轉換效率。而非臨界相位匹配通過溫控實現相位匹配，使得光束在晶體內部保持良好的空間重合，輸出光束質量大幅提升。

寬接受角和溫度調諧范圍

LBO 晶體的非臨界相位匹配具有較寬的接受角和溫度容差范圍。例如，在 1064 nm 基波下，其接受角可達數十毫弧度，允許一定程度的光束發(fā)散角。此外，其溫度調諧范圍通常在 ±5°C 左右，進一步增強了系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性。

高損傷閾值

LBO 晶體的損傷閾值高達 25 GW/cm2 以上，這使其特別適用于高功率激光系統(tǒng)中的頻率轉換應用。無論是脈沖激光還是連續(xù)激光，都能夠利用其高光學穩(wěn)定性和強大的抗損傷能力。

長晶體和大功率處理能力

由于非臨界相位匹配條件下不存在光束走離效應，可以使用更長的晶體來增加頻率轉換效率。這種特性使 LBO 晶體能夠輕松應對大功率激光應用需求。

典型應用場景

工業(yè)激光器中的倍頻應用

在 Nd:YAG 激光器（1064 nm）中，LBO 晶體常被用作倍頻元件，將基波轉換為 532 nm 綠色激光和 355 nm 紫外激光。532 nm 波長的綠色激光廣泛用于激光打標、焊接、切割等工業(yè)領域，而 355 nm 波長的紫外激光因其短波長和高精度，特別適合于高精度打標機的應用。例如，紫外激光能夠實現對塑料、玻璃和其他精密材料的非熱加工，提供更清晰和高對比度的打標效果。

醫(yī)療和美容領域

在醫(yī)療美容中，532 nm 和 355 nm 激光分別用于血管病變治療和皮膚年輕化。LBO 晶體在此類激光設備中充當關鍵的頻率轉換元件，確保輸出光束具有高功率和高穩(wěn)定性。

科學研究

LBO 晶體還廣泛應用于高功率激光系統(tǒng)和超快激光裝置中，例如光學參量放大（OPA）和飛秒激光脈沖整形。其高光束質量和寬透明范圍（160 nm 至 2600 nm）滿足了科學實驗對紫外到中紅外光譜的需求。

實驗與性能參數

在實驗中，通過使用 10 mm 長的 LBO 晶體和溫控裝置，對 1064 nm Nd:YAG 激光進行腔外倍頻實驗，結果顯示：

• 最佳匹配溫度：149°C

• 最高轉換效率：65%

• 光束質量：M2 < 1.3

• 溫度匹配寬度：約 4°C/cm

此外，研究進一步指出，LBO 晶體在飛秒激光抽運系統(tǒng)中表現出優(yōu)異性能，通過非臨界相位匹配實現了 670-880 nm 范圍內的可調諧信號光輸出。這一研究驗證了溫控在提升光束轉換效率和穩(wěn)定性方面的重要作用。

通過精確控制溫度，倍頻光輸出能量波動可小于 ±3%。對于基波注入能量大于 1.3 J 時，倍頻光能量趨于飽和，這表明晶體的設計長度與功率密度的匹配對效率提升至關重要。

如何選擇和使用 LBO 晶體

切割和設計建議

LBO 晶體的切割角度和光學設計是確保非臨界相位匹配成功的基礎。建議選用專為目標波長設計的晶體切割角（例如 θ=90° 和 φ=11.8°）。

溫控要求

溫控系統(tǒng)是非臨界相位匹配的核心組件。高精度溫控裝置（控制精度 ±0.1°C）可顯著提高頻率轉換效率并保持輸出光束的穩(wěn)定性。

長度和涂層選擇

晶體長度應根據激光功率密度進行優(yōu)化。對于高功率應用，推薦選用具有高損傷閾值涂層的晶體，以進一步提升系統(tǒng)的可靠性。

結論

LBO 晶體的非臨界相位匹配技術以其獨特的優(yōu)勢，在激光頻率轉換領域占據了重要地位。它的高轉換效率、寬接受角和高光學穩(wěn)定性，使其成為現代激光系統(tǒng)不可或缺的核心組件。未來，隨著技術的進一步發(fā)展，LBO 晶體將在更廣泛的應用場景中展現其潛力。