Generación Armónica y Conversión de Frecuencia

Las no linealidades de segundo orden permiten que los cristales dupliquen o mezclen frecuencias ópticas, convirtiendo la luz láser a nuevas longitudes de onda mediante procesos de adaptación de fase.

Definition

Procesos ópticos no lineales mediados por la susceptibilidad de segundo orden en los que dos ondas ópticas se combinan para producir una onda a la frecuencia suma, diferencia o duplicada, requiriendo adaptación de fase para una conversión coherente eficiente.

Scope

Este tema cubre los procesos no lineales de segundo orden que generan luz a nuevas frecuencias. Incluye la generación de segundo armónico, la generación de suma y diferencia de frecuencias, la amplificación y oscilación paramétrica óptica, y la condición crucial de adaptación de fase, lograda mediante birrefringencia o adaptación de cuasi-fase en cristales periódicamente polarizados, que permite que la onda convertida crezca coherentemente. También aborda los armónicos superiores. Explica cómo se desplazan los láseres en longitud de onda y cómo se construyen las fuentes sintonizables y de fotones entrelazados.

Core questions

• ¿Cómo duplica un cristal la frecuencia de la luz láser?
• ¿Qué es la adaptación de fase y por qué es esencial?
• ¿Cómo se relacionan la generación de suma y diferencia de frecuencias y la amplificación paramétrica?
• ¿Cómo logra la polarización periódica la adaptación de cuasi-fase?

Key concepts

• generación de segundo armónico
• generación de suma de frecuencias
• generación de diferencia de frecuencias
• oscilación paramétrica óptica
• adaptación de fase
• adaptación de cuasi-fase
• cristales periódicamente polarizados
• duplicación de frecuencia

Key theories

Segundo armónico y mezcla de tres ondas

A través de la susceptibilidad de segundo orden, dos fotones se combinan en uno a la frecuencia suma, o uno se divide en dos; la generación de segundo armónico es el caso especial de duplicación de frecuencia, y los procesos de diferencia de frecuencia y paramétricos generan una salida sintonizable.

Adaptación de fase

La conversión eficiente requiere que las ondas interactuantes permanezcan en fase a medida que se propagan; esto se logra explotando la birrefringencia para igualar las velocidades de fase o invirtiendo periódicamente la no linealidad para lograr la adaptación de cuasi-fase.

Clinical relevance

La duplicación de frecuencia produce la luz verde de los láseres quirúrgicos y oftálmicos basados en neodimio a partir de la salida infrarroja, y la generación de segundo armónico en el tejido proporciona contraste sin etiquetas en la microscopía no lineal de colágeno y otras estructuras ordenadas.

History

Franken y sus colegas observaron el primer segundo armónico óptico en 1961 al enfocar un láser de rubí en cuarzo. Armstrong, Bloembergen y sus colaboradores desarrollaron pronto la teoría de la adaptación de fase y las interacciones no lineales, y la adaptación de cuasi-fase en cristales periódicamente polarizados hizo posteriormente que la conversión eficiente fuera ampliamente práctica.

Key figures

• Peter Franken
• Nicolaas Bloembergen
• John Armstrong

Seminal works

• boyd2020
• franken1961

Frequently asked questions

¿Cómo puede un puntero láser verde provenir de un láser infrarrojo?

Muchos láseres verdes utilizan un cristal no lineal para duplicar la frecuencia de la salida infrarroja invisible de un láser de neodimio, reduciendo a la mitad la longitud de onda para producir luz verde visible.

¿Por qué se necesita la adaptación de fase?

Debido a que las ondas fundamental y convertida generalmente viajan a diferentes velocidades en un medio dispersivo, se desincronizan y la conversión se anula a sí misma; la adaptación de fase las mantiene sincronizadas para que la onda convertida crezca a lo largo del cristal.