介紹：

本文對三種重要的非線性光學(xué)晶體：β硼酸鋇（BBO）三硼酸鋰（LBO）磷酸鈦氧鉀（KTP）進(jìn)行了全面比較。每種晶體都為光學(xué)領(lǐng)域帶來了獨(dú)特的屬性，特別是在激光應(yīng)用中，這需要仔細(xì)評估其各自的非線性特性、轉(zhuǎn)換效率以及與不同激光頻率轉(zhuǎn)換場景的兼容性。我們的目的是提供關(guān)于這些材料的優(yōu)點(diǎn)和局限性的清晰視角，從而幫助特定應(yīng)用的選擇過程，同時(shí)有助于更廣泛地理解非線性光學(xué)過程中的動力學(xué)。

第一節(jié).材料概述

β-硼酸鋇 (BBO)

β-硼酸鋇 (BBO) 是非線性光學(xué)領(lǐng)域的杰出參與者。該晶體具有寬廣的透明度范圍，從深紫外（約 190 nm）到遠(yuǎn)紅外（約 3500 nm）。其高傷害閾值是推動 BBO 在高功率作戰(zhàn)中脫穎而出的獨(dú)特屬性。此外，BBO 的雙折射性質(zhì)增加了其吸引力，提供了廣泛的相位匹配條件，這對于頻率轉(zhuǎn)換應(yīng)用至關(guān)重要。

三硼酸鋰 (LBO)

三硼酸鋰 (LBO) 是另一種重要的非線性光學(xué)晶體，具有廣泛的透明度范圍，從紫外 (160 nm) 到遠(yuǎn)紅外 (2600 nm)。除了令人印象深刻的透明度外，LBO 還具有高損傷閾值和最小離散，使其成為高功率應(yīng)用的理想選擇。它還以其大的有效非線性系數(shù)而聞名，這使得它能夠有效地處理倍頻、三倍頻和混頻等任務(wù)。

磷酸鈦氧鉀 (KTP)

磷酸鈦氧鉀 (KTP) 是非線性光學(xué)中最常用的晶體之一，以其在寬波長范圍內(nèi)的非臨界相位匹配 (NCPM) 而聞名。KTP具有高光學(xué)損傷閾值和出色的溫度帶寬，在各種條件下都能保持可靠的運(yùn)行。再加上其強(qiáng)大的非線性光學(xué)響應(yīng)，使得 KTP 成為從倍頻到光學(xué)參量振蕩等應(yīng)用的熱門選擇。

第二節(jié).非線性特性

BBO 具有高非線性和寬相位匹配帶寬，即使對于低功率激光器也能實(shí)現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)換。其出色的非線性系數(shù)主要?dú)w因于其較寬的透明度范圍和較大的雙折射，這在相位匹配條件方面提供了靈活性。在二次諧波發(fā)生 (SHG) 和和頻發(fā)生 (SFG) 等應(yīng)用中，BBO 由于其高非線性而表現(xiàn)出令人印象深刻的性能，使其適合倍頻或功率較低的激光器的混頻。此外，BBO 的寬相位匹配帶寬使其能夠適應(yīng)波長和溫度波動，從而增強(qiáng)其在各種條件下的適用性。

LBO雖然非線性系數(shù)比BBO小，但也有其獨(dú)特的優(yōu)勢。最重要的是，由于其雙折射率較低，因此具有更寬的接收角和更少的走離，這使得 LBO 對于高功率密度應(yīng)用特別有價(jià)值。較低的走離角可減少空間光束畸變，從而提高高功率激光系統(tǒng)的整體光束質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率。此外，LBO相對較高的損傷閾值和較大的有效非線性系數(shù)使其即使在高功率運(yùn)行下也能保持高效的變頻。這使得 LBO 成為高功率激光系統(tǒng)中倍頻、三倍頻或混頻的合適選擇，這些系統(tǒng)需要在高強(qiáng)度條件下保持穩(wěn)定的性能。

KTP的非線性特性使其脫穎而出，尤其是在近紅外區(qū)域。其高非線性系數(shù)使其非常適合混頻和倍頻，特別是在此頻譜范圍內(nèi)。KTP 的主要優(yōu)勢之一是能夠在較寬的波長范圍內(nèi)執(zhí)行非關(guān)鍵相位匹配。這一特性保證了高轉(zhuǎn)換效率并降低了轉(zhuǎn)換過程的角度敏感性，從而簡化了實(shí)際應(yīng)用中的對準(zhǔn)程序。此外，KTP 的高光學(xué)損傷閾值和良好的熱穩(wěn)定性使其能夠承受高功率水平，同時(shí)保持高轉(zhuǎn)換效率。這使得 KTP 可用于廣泛的應(yīng)用，例如固態(tài)和光纖激光器的頻率轉(zhuǎn)換，特別是在近紅外區(qū)域。

第三節(jié).激光器中的效率和變頻應(yīng)用

BBO 的高非線性系數(shù)加上廣泛的相位匹配能力，使其成為高功率紫外線 (UV) 發(fā)生和深紫外線應(yīng)用的理想選擇。其寬廣的透明度范圍可在廣闊的光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的頻率轉(zhuǎn)換，這對于紫外線生成特別有用。此外，BBO的高損傷閾值使其能夠承受高強(qiáng)度的紫外線輻射，從而即使在苛刻的條件下也能確保穩(wěn)定的性能。當(dāng)考慮其在激光器中的應(yīng)用時(shí)，BBO 寬的相位匹配范圍和高非線性使其成為倍頻、三倍頻和混頻的首選，特別是在中低功率激光器中。例如，BBO 已成功應(yīng)用于鈦藍(lán)寶石激光器的倍頻，從而有效產(chǎn)生紫外線輻射。

LBO 由于其較寬的透明度范圍和較高的損傷閾值，在中深紫外區(qū)域的頻率轉(zhuǎn)換方面表現(xiàn)出色。其有效非線性系數(shù)大、接受角寬，特別適合大功率應(yīng)用。這些特性也使得LBO成為高功率Nd:YAG和其他固體激光器頻率轉(zhuǎn)換的流行選擇。此外，LBO 的最小離散角有助于提高光束質(zhì)量，從而提高高功率激光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。LBO的應(yīng)用不僅限于倍頻；它還用于光學(xué)參量振蕩器 (OPO)，以產(chǎn)生從紫外線到紅外線的廣泛波長。

KTP 在近紅外區(qū)域具有出色的效率，是固體激光器產(chǎn)生綠色輸出的首選材料。KTP 的高非線性系數(shù)和非關(guān)鍵相位匹配能力使其成為 Nd:YAG 和其他在近紅外區(qū)域工作的激光器的高效倍頻的理想選擇。此外，KTP的高損傷閾值和出色的熱穩(wěn)定性確保即使在高功率條件下也能可靠運(yùn)行，使其成為大功率倍頻應(yīng)用的最愛。KTP 的一個(gè)值得注意的應(yīng)用是綠色激光筆，它用于將 Nd: YAG 或 Nd: YVO4 激光器的頻率加倍，從而產(chǎn)生綠光。此外，KTP還用于光學(xué)參量振蕩器（OPO）和混頻等多種其他應(yīng)用，進(jìn)一步證明了其在非線性光學(xué)領(lǐng)域的多功能性。

第四節(jié).如何選擇

在考慮適合特定應(yīng)用的非線性光學(xué)晶體時(shí)，必須仔細(xì)了解每種潛在材料的獨(dú)特屬性和功能。例如，如果您正在處理需要產(chǎn)生紫外線的應(yīng)用，β-硼酸鋇 (BBO) 可能是您的理想合作伙伴，因?yàn)樗谧贤饩€范圍內(nèi)具有廣泛的透明度。然而，如果您的工作需要在中深紫外區(qū)域進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，特別是在高功率水平下，三硼酸鋰 (LBO) 可能會更好地滿足您的需求，因?yàn)樗哂休^高的損傷閾值和最小的走離。

另一方面，磷酸鈦氧鉀 (KTP) 通常是近紅外區(qū)域倍頻的首選。其高轉(zhuǎn)換效率和出色的熱穩(wěn)定性使其非常適合此類應(yīng)用。

重要的是要記住，這些決定不能在真空中做出。相反，您必須考慮激光系統(tǒng)的所有操作條件，包括功率水平、基本波長和所需的輸出波長。此外，您的應(yīng)用的特定需求（無論是更高的光束質(zhì)量、特定的接收角度還是特定的相位匹配條件）都會對您的材料選擇產(chǎn)生重大影響 。

從本質(zhì)上講，選擇合適的非線性光學(xué)晶體需要全面了解系統(tǒng)的要求，并詳細(xì)了解每種材料的優(yōu)點(diǎn)和局限性。請務(wù)必考慮向?qū)＜一蛑圃焐虒で蠼ㄗh，以確保所選晶體最適合您的特定應(yīng)用。

結(jié)論：

總之，非線性光學(xué)晶體，即β硼酸鋇（BBO）、三硼酸鋰（LBO）和磷酸鈦氧鉀（KTP）的選擇在激光器頻率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。每種晶體都具有獨(dú)特的優(yōu)勢，BBO 提供寬廣的透明度范圍和高非線性度，LBO 提供最小的走離和高損傷閾值，KTP 因其高非線性系數(shù)而在近紅外區(qū)域表現(xiàn)出色。選擇合適晶體的決定取決于對預(yù)期應(yīng)用要求的透徹理解，包括所需輸出波長、功率水平、效率、穩(wěn)定性和其他特定需求等因素。通過考慮這些元素，用戶可以確定最適合其獨(dú)特的非線性光學(xué)應(yīng)用的晶體。