非線性光學倍頻晶體的比較與應用：CLBO、LBO、BBO與KTP

時間：2025-09-16 來源：新特光電訪問量：1514

非線性光學倍頻晶體是現代激光技術的核心材料，廣泛應用于頻率轉換、諧波產生、光學參量振蕩等領域。隨著激光技術向高功率、短波長、寬調諧方向發展，對非線性晶體的性能要求也越來越高。本文將以CLBO、LBO、BBO和KTP四種典型晶體為例，從物理特性、性能參數、應用場景等方面進行系統比較與分析。

一、CLBO晶體：深紫外高功率應用的優選

CsLiB?O??（CLBO）是一種優秀的紫外非線性晶體，其透光范圍寬（175–2750 nm），非線性系數高達0.95 pm/V，是KDP的2.2倍。CLBO最突出的特點包括：

深紫外性能優異：可實現193 nm和266 nm的諧波輸出，截止波長低至180 nm，是半導體光刻、深紫外雷達等領域的理想選擇。
高損傷閾值與低吸收：無雙光子吸收現象，適用于高功率激光系統，尤其在Nd:YAG激光的四倍頻（266 nm）和五倍頻（213 nm）中表現突出。
良好的機械與熱性能：角度公差大、離散角小，溫度帶寬寬，優于BBO晶體。

然而，CLBO具有強吸濕性，需在干燥環境或高溫（~150°C）下操作，存儲和使用條件較為苛刻。

倍頻晶體

二、LBO晶體：全能型高損傷閾值晶體

LiB?O?（LBO）是一種綜合性能極佳的非線性晶體，透光范圍為160–2600 nm，非線性系數適中，但其損傷閾值高、光學均勻性好、吸收極低，尤其適合中高功率應用：

超低吸收與高表面質量：體積吸收低至2–4 ppm/cm（1064 nm），表面粗糙度＜3 ? RMS，顯著提升激光負載能力。
寬相位匹配范圍：支持I類和II類非臨界相位匹配，適用于SHG、tdG、OPO等多種過程。
大尺寸可用：最大可達100×100×80 mm，適合大功率激光系統。

LBO在355 nm紫外激光生成和OPO系統中應用廣泛，是工業、醫療和科研激光器的首選材料之一。

倍頻晶體

三、BBO晶體：紫外高效轉換的多面手

β-BaB?O?（BBO）是最早被廣泛使用的紫外非線性晶體之一，透光范圍為190–1780 nm，非線性系數高（約為KDP的6倍），轉換效率突出：

高轉換效率：在213 nm五倍頻中轉換效率超過70%，四倍頻超過50%，輸出功率可達200 mW。
寬相位匹配范圍：支持SHG、SFG、DFG、OPO等多種過程，適用性廣。
較好的機械性能：雖有一定潮解性，但可通過保護鍍膜（P-coating）有效抑制。

BBO在超快激光、深紫外加工、科研實驗中仍具有不可替代的地位，尤其在213 nm激光生成中表現卓越。

倍頻晶體

四、KTP與HGTR KTP：中低功率綠光生成的性價比之選

KTiOPO?（KTP）是一種常用于Nd:YAG激光倍頻的晶體，非線性系數高、接收角大、成本較低，但其主要問題在于“灰跡效應”（Gray Track Effect），即在532 nm高功率照射下出現吸收增長和性能衰減。

HGTR KTP 通過特殊生長和熱處理工藝，顯著提升了抗灰跡能力，紅外吸收率低且受綠光影響小，適用于中等功率綠光激光器（如激光投影、醫療設備），在532 nm波段可承受高達5 kW/cm2的平均功率密度。

倍頻晶體

五、綜合對比

特性	CLBO	LBO	BBO	KTP / HGTR KTP
透光范圍	175–2750 nm	160–2600 nm	190–1780 nm	300–5500 nm
有效非線性系數 (pm/V)	0.95	≈1.2	≈2.1	≈3.5
損傷閾值	29 GW/cm2 @1064nm	1.8 GW/cm2 @1064nm	1 GW/cm2 @1064nm	600 MW/cm2 @1064nm
吸濕性	高	低	中等（可鍍膜）	低
主要應用	深紫外SHG/FHG	532/355 nm SHG/tdG	紫外OPO/五倍頻	532 nm SHG
優勢	紫外效率高	高損傷閾值	轉換效率高	成本低、易加工
局限	需防潮處理	尺寸限制	潮解需保護	灰跡效應（普通KTP）

六、結語

非線性倍頻晶體的選擇需綜合考慮波長、功率、效率、環境適應性等多重因素。CLBO在深紫外領域的獨特優勢、LBO的高可靠性、BBO的高效率以及KTP系列的經濟性，共同構成了激光技術發展的材料基礎。未來隨著晶體生長技術與鍍膜工藝的進步，這些晶體將在更廣泛的波長與功率范圍內發揮重要作用，推動激光技術向更高效、更穩定、更精密的方向發展。

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