激光技术的发展从根本上改变了现代科技的面貌，而非线性光学频率转换技术在这一过程中扮演了至关重要的角色。三硼酸锂（Lithium Triborate, LBO）晶体作为一种性能优异的非线性光学晶体，因其宽广的透明范围、高光损伤阈值、较大的接受角和较小的走离角等特点，广泛应用于高功率激光倍频、和频及光学参量振荡等领域。
在这些应用中，非临界相位匹配（Non-Critical Phase Matching, NCPM）技术尤其重要。它通过调节晶体温度来实现相位匹配，大幅度提高了光学频率转换的效率和稳定性，同时避免了因角度调节引起的光束偏离效应。本文将围绕 LBO 晶体的非临界相位匹配展开，探讨其原理、优势、典型应用以及选择与使用方法，以帮助客户更好地理解并利用这种技术。
LBO非临界相位匹配是什么
LBO 晶体是一种负双轴晶体，属于正交点群 mm2，其非线性光学性能显著，尤其适用于激光频率转换中的倍频（Second Harmonic Generation, SHG）和和频（Sum-Frequency Generation, SFG）。非临界相位匹配是指通过调整晶体温度，而非角度，来满足相位匹配条件，从而避免光束走离效应。这种方式不仅可以实现更高效的频率转换，还能保证光束质量的稳定性。
非临界相位匹配的核心在于通过优化温度，使晶体内部的折射率在特定波长范围内满足相位匹配条件。这一技术避免了角度相位匹配所需的复杂机械调整，同时有效减小了由于光束传播方向变化引起的能量损失。由于 LBO 晶体具有较宽的透明范围和温度调谐范围，其成为实现非临界相位匹配的理想材料，广泛应用于紫外、可见光和近红外激光波长的频率转换。
在 LBO 晶体中，当基波光波长为 1064 nm 时，倍频光（532 nm）对应的最佳相位匹配温度通常为约 149°C。这一温度点使得晶体内的折射率差异满足相位匹配条件，从而实现无走离角的频率转换。
LBO非临界相位匹配的优势
无走离角和高光束质量
传统的角度相位匹配因走离效应可能导致光束偏离，降低转换效率。而非临界相位匹配通过温控实现相位匹配，使得光束在晶体内部保持良好的空间重合，输出光束质量大幅提升。
宽接受角和温度调谐范围
LBO 晶体的非临界相位匹配具有较宽的接受角和温度容差范围。例如，在 1064 nm 基波下，其接受角可达数十毫弧度，允许一定程度的光束发散角。此外，其温度调谐范围通常在 ±5°C 左右，进一步增强了系统的操作稳定性。
高损伤阈值
LBO 晶体的损伤阈值高达 25 GW/cm² 以上，这使其特别适用于高功率激光系统中的频率转换应用。无论是脉冲激光还是连续激光，都能够利用其高光学稳定性和强大的抗损伤能力。
长晶体和大功率处理能力
由于非临界相位匹配条件下不存在光束走离效应，可以使用更长的晶体来增加频率转换效率。这种特性使 LBO 晶体能够轻松应对大功率激光应用需求。
典型应用场景
工业激光器中的倍频应用
在 Nd:YAG 激光器（1064 nm）中，LBO 晶体常被用作倍频元件，将基波转换为 532 nm 绿色激光和 355 nm 紫外激光。532 nm 波长的绿色激光广泛用于激光打标、焊接、切割等工业领域，而 355 nm 波长的紫外激光因其短波长和高精度，特别适合于高精度打标机的应用。例如，紫外激光能够实现对塑料、玻璃和其他精密材料的非热加工，提供更清晰和高对比度的打标效果。
医疗和美容领域
在医疗美容中，532 nm 和 355 nm 激光分别用于血管病变治疗和皮肤年轻化。LBO 晶体在此类激光设备中充当关键的频率转换元件，确保输出光束具有高功率和高稳定性。
科学研究
LBO 晶体还广泛应用于高功率激光系统和超快激光装置中，例如光学参量放大（OPA）和飞秒激光脉冲整形。其高光束质量和宽透明范围（160 nm 至 2600 nm）满足了科学实验对紫外到中红外光谱的需求。
实验与性能参数
在 Tan 等人的实验中，通过使用 10 mm 长的 LBO 晶体和温控装置，对 1064 nm Nd\:YAG 激光进行腔外倍频实验，结果显示：
- -最佳匹配温度：149°C
- 最高转换效率：65%
- 光束质量：M² < 1.3
- 温度匹配宽度：约 4°C/cm
此外，范锦涛等人的研究进一步指出，LBO 晶体在飞秒激光抽运系统中表现出优异性能，通过非临界相位匹配实现了 670-880 nm 范围内的可调谐信号光输出。这一研究验证了温控在提升光束转换效率和稳定性方面的重要作用。
通过精确控制温度，倍频光输出能量波动可小于 ±3%。对于基波注入能量大于 1.3 J 时，倍频光能量趋于饱和，这表明晶体的设计长度与功率密度的匹配对效率提升至关重要。
如何选择和使用 LBO 晶体
切割和设计建议
LBO 晶体的切割角度和光学设计是确保非临界相位匹配成功的基础。建议选用专为目标波长设计的晶体切割角（例如 θ=90° 和 φ=11.8°）。
温控要求
温控系统是非临界相位匹配的核心组件。高精度温控装置（控制精度 ±0.1°C）可显著提高频率转换效率并保持输出光束的稳定性。
长度和涂层选择
晶体长度应根据激光功率密度进行优化。对于高功率应用，推荐选用具有高损伤阈值涂层的晶体，以进一步提升系统的可靠性。
结论
LBO 晶体的非临界相位匹配技术以其独特的优势，在激光频率转换领域占据了重要地位。它的高转换效率、宽接受角和高光学稳定性，使其成为现代激光系统不可或缺的核心组件。未来，随着技术的进一步发展，LBO 晶体将在更广泛的应用场景中展现其潜力。
FAQs
- 什么是非临界相位匹配？
非临界相位匹配是一种通过温控调整晶体内部折射率差异，实现高效频率转换的方法，无需角度调节。 - LBO 晶体在工业中的主要用途是什么？
它被广泛用于工业激光器的倍频应用，例如激光打标、切割和焊接。 - 为什么 LBO 晶体适合高功率应用？
因其高光损伤阈值和无走离效应，能够有效提升高功率激光的转换效率。 - 如何优化 LBO 晶体的倍频效率？
通过选择合适的切割角度、精确控制温度以及匹配晶体长度与激光功率密度。 - LBO 晶体的非临界相位匹配适用于哪些波长？
适用于 950-1600 nm 范围内的基波光，通过温控实现倍频。
参考文献
- [1]任清华.LBO晶体的倍频特性研究[D].河北科技大学,2009.DOI:10.7666/d.y1714602.
- [2]姚建铨.非线性光学频率变换及准相位匹配技术[J].人工晶体学报(3):201-207[2024-12-11].DOI:10.3969/j.issn.1000-985X.2002.03.004.
- [3]范锦涛,胡明列,顾澄琳,等.基于LBO的高功率飞秒绿光抽运的光学参量振荡器[J].中国激光, 2014(9):4.DOI:CNKI:SUN:JJZZ.0.2014-09-009.
- [4]刁述妍.准相位匹配技术[J].现代物理知识, 2008(2):3.DOI:CNKI:SUN:XDWZ.0.2008-02-016.
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