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、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。而近期一項關(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？

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

• 在激光雷達領(lǐng)域，窄線寬意味著更高的測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)成分的識別精度；

• 在量子信息存儲方面，則要求光源線寬必須控制在特定范圍，才能實現(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標準具等色散元件，會引入額外損耗，導致轉(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現(xiàn)窄線寬，但系統(tǒng)需額外配備種子光源和復雜的光路耦合結(jié)構(gòu)，體積增加50%以上，且穩(wěn)定性受環(huán)境振動影響極大。

• 這些缺陷讓光參量振蕩器在高精度應用中始終“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”

中國科學院理化技術(shù)研究所的最新研究（專利申請?zhí)枺?02410130611.1）提出了一種光參量振蕩器設(shè)計：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，通過調(diào)整二者長度比例，實現(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

當兩塊晶體長度比例在1:9 - 9:1之間調(diào)節(jié)時，總增益譜寬△λ可精準控制在△λ1與△λ2之間；

3.動態(tài)調(diào)控

通過步進電機控制晶體在垂直光軸方向平移，實時改變有效作用長度，實現(xiàn)線寬的連續(xù)可調(diào)。

這一設(shè)計無需額外色散元件，避免了傳統(tǒng)方案的損耗問題；同時無需復雜外光路，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）作為非線性光學領(lǐng)域的“明星材料”，其優(yōu)勢在該創(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晶體可通過切割角度的精準設(shè)計，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°，對應較窄的增益譜寬（△λ2）。

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

2.寬透光+高損傷閾值，適配多場景泵浦光

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

當泵浦光為532nm（綠光）時，LBO雙晶體系統(tǒng)可產(chǎn)生1000nm信號光和1137nm閑頻光，線寬調(diào)節(jié)范圍達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，無明顯光損傷現(xiàn)象——這得益于其＞10GW/cm2的高損傷閾值，遠超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，晶體的熱效應會導致相位匹配條件偏移，影響線寬穩(wěn)定性。而LBO晶體的熱導率（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)工作時溫度波動可控制在±0.5℃以內(nèi)，確保線寬調(diào)節(jié)誤差＜0.1nm。

LBO晶體開啟OPO應用新場景

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，更拓展了光參量振蕩器的應用邊界：

環(huán)境監(jiān)測

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

醫(yī)療診斷

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

量子通信

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

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年時間初步實現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，從毫米級晶體的精密生長，到英寸級產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)，每一步突破都凝聚著團隊對工藝的極致追求，我們堅持技術(shù)創(chuàng)新與品質(zhì)把控，讓中國制造的LBO晶體在全球激光應用中占據(jù)重要席位。未來，我們將繼續(xù)以穩(wěn)扎穩(wěn)打的態(tài)度，推動各類晶體材料性能持續(xù)提升，為行業(yè)發(fā)展貢獻更多實實在在的成果。

此次光參量振蕩器的創(chuàng)新設(shè)計，再次證明了LBO晶體在非線性光學領(lǐng)域的不可替代性。從激光頻率轉(zhuǎn)換到超短脈沖調(diào)控，從實驗室研究到工業(yè)量產(chǎn)，LBO晶體始終以“寬頻帶、高穩(wěn)定、易調(diào)控”的特性，推動著激光技術(shù)向更精密、更靈活的方向發(fā)展。未來，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——因為真正的核心材料，從來都不只是技術(shù)的“參與者”，更是創(chuàng)新的“驅(qū)動力”。

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

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