Harmonische Erzeugung und Frequenzkonversion

Nichtlinearitäten zweiter Ordnung ermöglichen es Kristallen, optische Frequenzen zu verdoppeln oder zu mischen, wodurch Laserlicht durch phasenangepasste Prozesse in neue Wellenlängen umgewandelt wird.

Definition

Nichtlineare optische Prozesse, die durch die Suszeptibilität zweiter Ordnung vermittelt werden, bei denen sich zwei optische Wellen zu einer Welle mit der Summen-, Differenz- oder doppelten Frequenz verbinden, wobei für eine effiziente kohärente Umwandlung eine Phasenanpassung erforderlich ist.

Scope

Dieses Thema behandelt nichtlineare Prozesse zweiter Ordnung, die Licht bei neuen Frequenzen erzeugen. Es umfasst die Erzeugung der zweiten Harmonischen, die Summen- und Differenzfrequenzerzeugung, die optisch-parametrische Verstärkung und Oszillation sowie die entscheidende Bedingung der Phasenanpassung, die durch Doppelbrechung oder Quasi-Phasenanpassung in periodisch gepolten Kristallen erreicht wird und es der konvertierten Welle ermöglicht, kohärent zu wachsen. Es werden auch höhere Harmonische angesprochen. Es wird erklärt, wie Laser in ihrer Wellenlänge verschoben werden und wie durchstimmbare und verschränkte Photonenquellen aufgebaut werden.

Core questions

• Wie verdoppelt ein Kristall die Frequenz von Laserlicht?
• Was ist Phasenanpassung und warum ist sie essenziell?
• Wie hängen Summen- und Differenzfrequenzerzeugung sowie parametrische Verstärkung zusammen?
• Wie erreicht periodisches Poling eine Quasi-Phasenanpassung?

Key concepts

• Erzeugung der zweiten Harmonischen
• Summenfrequenzerzeugung
• Differenzfrequenzerzeugung
• optisch-parametrische Oszillation
• Phasenanpassung
• Quasi-Phasenanpassung
• periodisch gepolte Kristalle
• Frequenzverdopplung

Key theories

Zweite Harmonische und Drei-Wellen-Mischung

Durch die Suszeptibilität zweiter Ordnung verbinden sich zwei Photonen zu einem bei der Summenfrequenz, oder eines spaltet sich in zwei; die Erzeugung der zweiten Harmonischen ist der Spezialfall der Frequenzverdopplung, und Differenzfrequenz- und parametrische Prozesse erzeugen durchstimmbare Ausgaben.

Phasenanpassung

Eine effiziente Umwandlung erfordert, dass die wechselwirkenden Wellen während ihrer Ausbreitung in Phase bleiben; dies wird durch Ausnutzung der Doppelbrechung zur Angleichung der Phasengeschwindigkeiten oder durch periodisches Umkehren der Nichtlinearität zur Erzielung einer Quasi-Phasenanpassung erreicht.

Clinical relevance

Die Frequenzverdopplung erzeugt das grüne Licht von Neodym-basierten chirurgischen und ophthalmologischen Lasern aus Infrarot-Ausgabe, und die Erzeugung der zweiten Harmonischen in Gewebe liefert einen markierungsfreien Kontrast in der nichtlinearen Mikroskopie von Kollagen und anderen geordneten Strukturen.

History

Franken und Kollegen beobachteten 1961 die erste optische zweite Harmonische, indem sie einen Rubinlaser in Quarz fokussierten. Armstrong, Bloembergen und Mitarbeiter entwickelten bald die Theorie der Phasenanpassung und nichtlinearen Wechselwirkungen, und die Quasi-Phasenanpassung in periodisch gepolten Kristallen machte später eine effiziente Umwandlung weithin praktikabel.

Key figures

• Peter Franken
• Nicolaas Bloembergen
• John Armstrong

Seminal works

• boyd2020
• franken1961

Frequently asked questions

Wie kann ein grüner Laserpointer von einem Infrarotlaser stammen?

Viele grüne Laser verwenden einen nichtlinearen Kristall, um die unsichtbare Infrarot-Ausgabe eines Neodym-Lasers frequenzzuverdoppeln, wodurch die Wellenlänge halbiert und sichtbares grünes Licht erzeugt wird.

Warum ist Phasenanpassung notwendig?

Da die Grundwelle und die konvertierte Welle in einem dispersiven Medium normalerweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten reisen, geraten sie außer Takt und die Umwandlung hebt sich selbst auf; die Phasenanpassung hält sie synchron, sodass die konvertierte Welle entlang des Kristalls wächst.