Rayscience PPLN User Manual

PPLN 晶体-激光波长转换革命性技术

PPLN 晶体登上历史舞台，体积小，转换效率高！

PPLN 晶体-激光波长转换革命性技术！

周期性极化铌酸锂（PPLN）—— 一种改变激光波长的高效晶体

我们在 PPLN 领域的专业加工，提供了宽范围的波长转换的多种高质量晶体。我们还可提供定制产品，可

满足 460nm-5100nm 激光波长范围的转换，并为一系列应用提供 OEM 设计服务。

PPLN 在激光显示领域的应用

Covesion 为激光显示提供掺镁的 PPLN 晶体（MgO:PPLN）。通过掺镁大幅度提高了晶体的光学损伤及光

折变阈值，同时保持高的非线形系数：理想地将低成本的近红外激光转换成红绿蓝三色。为 OEM 量产提

供优质的原材料。

PPLN 在中红外领域的应用

我们的 PPLN 能够满足许多工程领域中在中红外具有针对性和可调谐的广泛应用，包括远程气体探测、光

谱分析、制药过程监督等。另外，我们还提供各种配件和系统专门设计用于晶体的应用。

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许多材料具有非线形特性，但铌酸锂的效果明显强于其他传统的材料。为充分利用铌酸锂晶体的高的非线

形系数，Convesion 提供了所谓“周期性极化”的微结构。这种工艺可使晶体最佳地工作在不同波长，器

件可用于倍频、差频、和频和光学参量放大，以及其他非线形过程。

PPLN 的典型使用是将聚焦的激光光束通过一定长度的晶体，光在晶体的另一端发出新波长的光及残余的

输入光。

为达到非线形晶体的最高转换效率，入射光和目标光波长必须“相位匹配”，使它们彼此同步。大多数非

线形晶体，不同波长光传播速度不同，导致它们在晶体中传播时相位失配。传统的波长转换晶体，如 BBO

或 LBO，相位匹配是通过沿特定的晶体方向来完成，该方向由于双折射效应两波长光传播保持同步。铌酸

锂，虽然非线形系数远大于其它晶体，但将它进行周期性极化，可实现“准”相位匹配。因此，铌酸锂的

高转换效率可在实践中加以使用。

PPLN 能达到转换效率很大程度上取决于激光束的属性。例如，优化的短脉冲激光单次通过晶体可获得 80%

的转换效率，但使用连续激光器，转换效率就可能下降到只有几个百分点。

PPLN 是将生产的铌酸锂原材料晶圆进行所谓的“周期性极化”获得。铌酸锂是铁电晶体，在每个晶胞单

元，由于铌离子和锂离子的晶格位置略有偏移，便产生了一个小的电偶极矩。通过施加一个强的电场，可

以逆转这种结构，重新分布晶体中的偶极矩。反转铌酸锂结构的电场约为 22KV/mm，反转时间仅需几个毫

秒，之后该反转结构将永久性保持。在 PPLN 中，我们按光栅结构每隔几微米进行周期性反转，以实现输

入光和输出光的准相位匹配。

在单个 PPLN 晶体上，可以完成多个光栅周期结构的加工。对 OPO 和其他可调谐应用，利用多周期结构

可从单一泵浦光得到宽波长范围的光。光聚焦到不同周期光栅可实现波长的粗调，晶体的温度变化则可实

现精细调节。

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PPLN 是一种高效的非线形晶体，获得最大的波长转换效率必须对温度进行控制，并且晶体内部均匀的温

度分布也很重要。Covesion 提供了一系列的温度控制夹具或温控炉，以及温度控制器，尽量提高波长转换

性能。改变晶体问题，也用于 OPO 中窄范围的波长调谐或其他波长转换应用。

PPLN 扩展了现有的激光系统，光谱覆盖可见到中红外。正确的 PPLN 和泵浦激光组合，可获得波长 450nm

到 5um 范围的光。Covesion 还专门加工更复杂的晶体结构，在一个光学晶体上集合多种功能。

PPLN 所提供的实际有效的波长转化，使得它成为各行业应用的焦点，如显示器、航空、电信、环境检测

等。

详情请浏览我们的 PPLN 产品及配件。

周期性极化铌酸锂（PPLN）提供了 460nm-1500nm 波长范围内的高效率波长转换。我们专业的极化工艺

可制作 4.5um 到 33um 的极化周期，是批量制造的理想选择。下面列出了标准的产品系列，对目前最常用

的非线形过程进行分类：倍频（SHG）， 和频（SFG），差 频（ DFG）和光学参量振荡/产生（OPO/OPG）。

我们的 PPLN 晶体的标准范围与广泛使用的各种波长的激光相结合。每个晶体包含多周期光栅，灵活地实

现温度及波长组合。我们的晶体镀增透膜，并抛光到：<λ/4 平坦度，±5min 平行度，高于 20-10 光学表面

质量。所有标准产品都经过严格的质量检验，提供带夹具的现货。

客户还可自定义晶体长度、厚度、增透膜，及极化光栅设计，详情可参考我们网页。

掺镁周期性极化铌酸锂（PPMgO:LN）提供了高效率的可见光和中红外波长转换方面的应用。通过在铌酸

锂材料在中掺杂 5%氧化镁，可大大提高晶体的抗光折变能力，并保持其高的非线形系数。这使得可在可

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见光波段工作更稳定，且工作温度低于未掺杂晶体。专为 RGB 生成和高功率中红外开发的 PPLN 工艺保

证优良的质量，甚至在更短的生产周期。

我们的掺镁 PPLN，极化整个样品厚度，提供了最大的通光孔径。

倍频 MgO:PPLN

我们的 SHG 倍频晶体，适用于普遍使用的激光器波长范围。每种晶体类型有三种长度：短脉冲泵浦 1mm，

长脉冲或连续光 CW 泵浦 10mm 或 20mm。

主要特点:

 掺镁周期性极化 PPLN 晶体（5%掺杂浓度）

 镀增透膜；输入端 <0.5%R @泵浦光，输出端 <0.5%R @ SHG 波长

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 多个极化周期；灵活地进行温度/波长控制

 提供 1mm, 10mm, 20mm 安装夹具

光学参量放大 MgO:PPLN

我们的 OPO 晶体设计成广泛使用的 1064nm 激光器作为泵浦源，也可用于光学参量生成和放大。

主要特点:

 掺镁周期性极化 PPLN 晶体（5%掺杂浓度）

 镀增透膜: 输入输出端 <1%R @泵浦光,信号光及空闲光

 多个极化周期; 信号/空闲光经温度和周期选择的连续调谐

 1410nm 到 4335nm 光高效率生成

 提供 20mm 或 40mm 安装夹具

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我们向激光二极管泵浦全固态激光器（DPSSL）制造商和通讯设备制造商提供低成本，高性能的 PPLN 晶

体。我们所生产的晶体基于 5mol％氧化镁掺杂的同成分铌酸锂晶体，因此我们的 PPLN 晶体可用于开发高

泵浦功率的产品，并且可以运行于室温环境。我们多年来致力于设计和制造标准的以及为不同客户定制的

高质量的非线性光学波长转换晶体，其波长范围涵盖从 350nm 到 5000nm 的广大区间。所开发的晶体是

基于周期性极化反转的铌酸锂（LiNbO3）晶体，简称 PPLN。专有的独特的晶体极化反转技术能够在大尺

寸的掺杂 5mol％氧化镁铌酸锂晶体上大面积生产出高质量非线性光学晶体，因而产量高、成本低。 PPLN

在诸如激光显示，生物医学仪器，传感器和通信等领域有划时代的广泛应用。

绿光 PPLN 晶体通过二次谐波（倍频）产生波长为 532nm 绿色激光。产生的绿色激光可广

泛用于激光显示，生物医学仪器等领域。我们提供的 PPLN 晶体具有高光损伤阈值和高转
换效率的特性。

蓝光 PPLN 晶体通过二次谐波（倍频）产生波长为 473nm 或者 488nm 蓝色激光。产生的蓝色激光可广泛用于生物医

学仪器等领域。我们提供的 PPLN 晶体具有高光损伤阈值和高转换效率的特性。

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常见问题 FAQ:

问 : 什么是 PPLN？周期性极化铌酸锂（PPLN）？

答：PPLN 是一种高效的波长转换的非线形晶体，可用于倍频、差频、和频及光学参量振荡和光学参量放大等。PPLN 脆硬、透明，使用中须进行温

度控制。 PPLN 代表周期性极化反转的铌酸锂晶体。当光在铌酸锂晶体中沿着一定方向传播时，由于光依次经过周期性反转畴区域，PPLN 的非线性

系数会发生周期性变化。通过选择合适的 PPLN 周期可以实现高效率波长转换所需的准相位匹配（QPM)）条件。畴反转是通过在晶体两端加高电场

使铌酸锂晶体中的锂离子从一个稳定势场位置跃迁到另一个稳定势场位置来实现的。PPLN 使用寿命较长， Covesion 已推出成熟的商品。

问 : 为什么要采用掺杂氧化镁的铌酸锂晶体？

答:同成分掺杂氧化镁铌酸锂(LN)晶体具有良好的性能，因此它能满足低成本高效率地产生高功率激光的要求，其中包括高非线性系数（LN为34

pm/V， 作为对比：KTP 为 15 pm/V， LBO 为 0.85 pm/V，LT 为 26 pm/V）；较大面积的商用晶圆（同成分的 LN 可以达到 4 英寸， LT 仅为 2 英寸，

KTP 和 LBO 大约为 1 英寸）；相对低廉的晶体价格（比 LT， KTP 和 LBO 便宜得多）；高光损伤阈值（远高于非掺杂的 LN 和 KTP，与 LBO 和掺氧

化镁的 LT 相当）。

问 : PPLN 的应用？

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答: PPLN 晶体可用于高效率地将商用半导体激光器波长转换到半导体二极管无法提供的光波波长(例如绿光)。选择适当的 PPLN 周期和泵浦波长就

能得到从 350 nm 到近 5000nm 波长范围的转换光。这项技术所提供的红，绿，蓝（即 RGB）及中红外光可以广泛用于激光显示，生物医学仪器，传

感器和通信等领域。

问 : 如何产生用于激光显示的 RGB 激光光源？

答:激光显示迫切需要低成本，小体积，高性能，全固态的 RGB 激光器。PPLN 提供了一个有效的方法来产生 RGB 光。例如，小型绿光和蓝光（如 532nm，

473nm）光源可以通过二极管泵浦全固态（DPSS）激光技术产生，其中采用 808nm 激光二极管通过激光晶体产生用于倍频的基波。RGB 激光也可以直

接通过倍频泵浦激光产生，例如，可以直接通过 976nm 激光二极管的倍频产生医疗仪器中所需的蓝光（如 488nm）。

问 : 如何产生光学传感应用的中红外光？

答:光学传感法检测微量气体需要运用从 2000 到 5000nm 范围的中红外（IR）的相干光源。PPLN 是一个能通过差频法（DFG）生成高效的中红外光的

极好材料。例如，采用 1064 nm 和 1550 nm 作为泵浦激光，极化反转周期设计合适的 PPLN 用 DFG 法可以产生波长约 3400nm 中红外光。中红外光也

可以通过光参量振荡器（OPO）的方法产生，利用单光（如 1064 nm）和光学谐振腔产生。

问: 如何用 PPLN 实现全光学波长转换？

答:全光波长转换器是下一代光通信网络必需的关键组件。波导型 PPLN 具有通信网络波长转换所需的各种优异性能。例如，使用波长为 770nm 的泵

浦光利用差频（DFG）实现波长转换，从而实现从 1550nm 到 1530nm 的波长转换。该波长转换也可以通过级联非线性过程实现，其中先利用波长为

1540nm 泵浦光通过 SHG 产生波长为 770nm 光，再用得到的 770nm 光通过 DFG 实现波长转换。我们已经通过实验证实，高效率转换可以通过采用波导

型 PPLN 来实现。

问：PPLN 的偏振入射方向？有效非线形系数？

答：PPLN 的入射偏振应跟厚度方向相一致，为 I 类相位匹配。其有效非线形系数即为铌酸锂材料的最大非线形系数。

问：PPLN 及 MgO:PPLN 晶体损伤阈值？

答：PPLN 可承受功率密度约 0.5MW/cm2，MgO:PPLN 损伤阈值较高，为 2MW/cm2。

什么是激光电视？PPLN 应用于激光电视

激光电视是利用半导体泵浦固态激光工作物质，产生红、绿、蓝三种波长的连续激光作为彩色激光电视的光源，通过电视信号控制三基色激光扫描

图像。

准相位匹配（Quasi-phase-matching）？

准相位匹配（Quasi-phase-matching）是非线性光学频率转换的一种重要技术，其思想最早由 J. Armstrong 等人[1]于 1962 年提出，V. Berger[2]

于 1998 年将它推广到二维结构，并提出非线性光子晶体非线性光子晶体的概念。非线性频率转化中要求动量守恒，在普通非线性晶体中由于色散

的存在较难实现，特别是同时多个非线性相互作用的，而非线性周期性结构提供的倒格矢则能较容易地实现相位匹配。通过在非线性介质中构造周

期性的结构（非线性光子晶体），它能有效的实现非线性频率转化。相对通常的完美相位匹配（温度匹配，角度匹配），这种方法称为准相位匹配，

它能更容易利用较大的非线性系数。因此，现在这种技术已广泛应用于非线性光学领域，并且实现了一些普通晶体中难以做到的现象。

准相位匹

配需要在非线性光子晶体中实现，在非线性光学发展初期，这种技术主要停留在理论阶段。20 世纪 90 年代，随着非线性晶体生

长和极化技术的提高，非线性光子晶体的制作得到极大发展。1993 年，Yamada 等人首次利用电极化反转的方法制作出光学超晶

格；1995 年，M. Fejer 等人制作出大块周期性极化铌酸锂（periodically poled lithium niobate, PPLN）; 1997 年，闵乃本

等人（N.B. Ming et al.）制作出准周期极化光学超晶格，并用首次利用单束光单块晶体实现了三倍频绿光的产生；1999 年，

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PPLN 晶体-激光波长转换革命性技术！

N. Broderick 等人制作出第一个二维非线性光子晶体，并验证了非线性布拉格衍射。现在，非线性光子晶体中的准相位匹配技

术已广泛应用于二次，三次和高次谐波的长生，波长转换，参量转换等过程。

PPLN 重要成果？

1. 电极化制作 PPLN

2. 大块 PPLN 的实现

3. 单束光单晶体直接三倍频

4. 三原色激光器

PPLN 成功使用客户：

知名激光科研客户：

西安光机所 上海光机所 浙江大学 四川大学 哈尔滨工业大学 天津大学 华中科大 中科院物理所 浙江师

范大学 南开大学 南京大学 上海交大等等

企业客户暂不公开

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