PPKTP在光学中的应用与选择指南

从1960年第一台激光器被发明出来开始，在非线性光学频率变换研究领域中，比如倍频、和频、差频以及光参量振荡等是领域的研究热点。激光频率变换技术是利用光波间的相互作用这一非线性过程产生新频率的光波，要通过这种技术得到更高效率的激光输出，必须同时具备高质量的非线性材料和高功率、高光束质量的激光泵浦源。随着工艺制程的进步新型优质的非线性光学材料逐渐被生产出来，使得非线性光学频率变换技术得到了飞速的发展。其中光学参量振荡器、全光波长变换器，以及各种倍频激光器的产品化和实用化是最具有代表性的例子。周期性极化磷酸氧钛钾晶体PPKTP是补偿波失匹配的非线性频率变换晶体材料，这种晶体的最初目的很简单：它被设计为通过二次谐波产生的激光系统的高效频率转换器，可将一种波长的光转换为另一种波长，具有高损伤阈值、高非线性系数、准相位匹配等优势，在激光器制造、光学设备等行业得到广泛运用。

周期性极化磷酸氧钛钾晶体（PPKTP）是一种非自然存在的人工晶体，根据准相位匹配理论(QPM : Quasi Phase Matching），通过对晶体的非线性极化率的周期性调制可以补偿非线性频率变换过程中因色散引起的基波和谐波之间的波矢失配，而无需常规KTP晶体在做非线性频率转换时所需要做的相位匹配调整。且非线性光学效应系数可大幅度提升。而周期极化KTP晶体（PPKTP)就是基于准相位匹配原理的一种特殊的非线性晶体。其非线性系数可达常规体状KTP晶体的3倍。PPKTP可以根据不同的非线性应用进行定制，并没有相位匹配的局限性，因此其相互作用长度不受限制，并且可以获得在整个晶体透过范围内的整个光谱的谐波输出。

PPKTP主要特点：

• 高损伤阈值：PPKTP晶体具有很高的永久性高损伤阈值，这使得它在高强度激光环境中表现出色。

• 高非线性系数：其非线性系数高，这使得它成为波长高效转换的理想材料。

• 准相位匹配：双折射相位匹配存在玻应廷走离效应，限制了非线性转换效率的提高，而准相位匹配不存在这样的缺点，可以在整个晶体长度上实现非临界匹配，因此其相互作用长度不受限制，并且可以获得在晶体的透过范围内整个光谱的谐波输出

PPKTP晶体主要的应用场景

• 激光器制造：PPKTP晶体可以作为倍频材料用于中小功率激光器的制造，特别是Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）激光器和其他掺钕晶体激光器。这些激光器使用PPKTP晶体进行倍频，产生重要的绿色光源，已经逐步取代了染料激光器和蓝宝石激光器。

• 蓝光产生：PPKTP晶体还可与二极管泵浦光、Nd:YAG激光混频产生蓝光，并可调节钕离子激光器输出波长。此外，它可放大泵浦光及用作可调E-O器件等。

• 光学设备：PPKTP晶体在激光器的倍频、和频、差频、光参量振荡、光放大等行业得到广泛运用。另外，它还可以作为电光晶体，用于电光调制器、光波导器件、光开关等行业。

• 测量仪器：PPKTP晶体也被广泛运用在测量仪器、监测仪器、激光雷达、工业激光加工设备、医疗器械、军工设备、科研等领域中。

• OPO: 光学参量振荡器（OPO）类似于光源激光器，还使用一种激光谐振器，但基于光学增益从参量放大中的非线性晶体，而不是从受激发射。

随着量子光学的最新进展，自发参量下转换 (SPDC) 过程现已成为 PPKTP 的主要应用。SPDC 是一个将强泵浦光束转换为相关光子对的过程，即信号和闲频光。这些相关性是各种量子光源的基础，例如预示单光子、时间能量或偏振纠缠光子对以及压缩光。

虽然只考虑这些光源的量子特性很方便，但相互作用的非线性特性起着非常重要的作用。例如，在 PPKTP 中，可以完全控制相位匹配，以便：信号和闲频信号具有相同的偏振（类型 0）或正交偏振（类型 2）、相同的波长（简并）或不同的波长（非简并），沿着泵浦光束的方向（共线）或以某个角度（非共线）发射。type-0/type-2由轮询周期决定，需要在制造阶段确定，而简并性和共线性可以通过温度进行微调（为避免在异常温度下工作，建议预先指定这些参数并调整轮询周期）。

我们可以更深入地研究这些差异。偏振并不是在 0 型和 2 型相互作用之间变化的唯一光学性质；光谱带宽、线对速率和温度耐受性也不同。Ursin 小组的出色工作 [1] 最好地说明了这一点，他们将 0 型和 2 型晶体作为偏振纠缠光子对的来源进行了比较。如图所示。1、Type-0 比 Type-2 宽得多，并且可以通过温度调节实现非简并。此外，作者报告说，0 型的电子对生成数（每纳米）大约是 2 型的 10 倍。  

图 1：比较 0 型和 2 型 PPKTP 晶体的光谱带宽和简并性。

让事情变得更复杂的是，KTP 晶体的色散和长度也会影响光谱带宽和配对速率。较长的晶体以减少光谱带宽为代价生成更多对，并且信号/闲频光子在电信波长（~1550）下比在近红外（~810）下宽得多。

所有这些例子都表明 PPKTP 是一种用途极其广泛的组件，因此在选择合适的晶体之前首先考虑每个应用的需求非常重要。下面我们介绍了 PPKTP 在各种应用中的一些最新用途，并提供了我们推荐的晶体。我们很自豪地说，所有这些知识都来自使用我们 PPKTP 晶体的杰出研究人员，并与科学界分享了他们的发现。如果您认为我们缺少关键的应用或研究工作，请随时与我们联系。

玻色子采样和量子干涉

在玻色子采样中，量子光通常放置在大型干涉仪的输入处，其中包括光束的多次分裂和重新组合。玻色子采样依赖于量子干涉（红欧曼德尔效应），因此受益于高光谱纯度。Fedrizzi小组做出了特别的努力，创造了1550nm高光谱纯度的非周期极化晶体，中国科大的光子量子霸权实验也实现了类似的设计。Xanadu和 QuiX最近的量子计算工作在相同波长区域使用了 PPKTP，因为这些波长的纯度更高，并且与氮化硅等外围平台兼容。Raicol（通过与 Ady Arie 教授合作）开发了一种设计和制造高光谱纯度 apKTP 晶体的方法，用于玻色子采样和接近 1550nm 群速度匹配点的量子干涉。

推荐晶体：Type-2 apKTP 或 PPKTP，温度为 775->1550。apKTP 提供更高的光谱纯度，而 PPKTP 提供更高的配对率。   

量子密钥分配

PPKTP 作为偏振纠缠光子对的来源，在基于纠缠的 QKD 中发挥着重要作用。在这一领域，有许多可用的选项，具体取决于系统是针对自由空间还是光纤设计。一般来说，探测器效率和 405 nm 激光器的可用性通常会将这些应用推向 810 nm 的纠缠。2 型晶体更易于使用，因为其线宽较窄，可以通过偏振分束器轻松分离信号和闲频信号，并且对温度具有鲁棒性，而 0 型晶体更宽，并提供更高的成对率，使其成为复用 QKD。 

推荐晶体：Type-0 或 Type-2 PPKTP at 405->810。Type-0 提供更高的配对速率和频谱带宽，而 Type-2 则易于使用。

挤压光

压缩光通常利用处于强泵浦状态的晶体（与预示的单光子或偏振纠缠不同），并受益于强非线性响应，因此使 0 型晶体成为有利的选择。例子包括 Furusawa 小组在 860nm 处具有 9dB 的压缩 ，Schnabel 小组在 1064 和 1550nm 处演示了 15dB 和 13dB 的压缩，而 Bowen 小组则使用前者演示了压缩增强显微镜。压缩光可以产生从 780nm（390nm 泵浦）到 3.8 微米的任何波长，并且是具体应用的函数。

在选择用于压缩光应用的晶体时，研究人员应首先确定压缩是在单程中还是在腔中产生。对于前者，标准晶体就足够了，而对于最佳参量振荡器，优选单片或半单片选项。

推荐晶体：0 型 PPKTP，可选半片或全单片。

使用未检测到的光子成像

未检测到的光子成像通常使用具有不同简并度的 0 型晶体。对于基础研究来说，能够方便地检测两个光子 [而 Ramelow 小组在显微镜应用中产生可见光和中红外闲频信号。 

推荐晶体：0 型 PPKTP，具有专为非简并性而设计的周期。没有比 Ramelow 的 660->800+3800 更好的例子了。

关于PPKTP晶体详细资料，请点击：https://www.sinteclaser.com/optical/PPKTP.html