Génération d'harmoniques et conversion de fréquence

Les non-linéarités du second ordre permettent aux cristaux de doubler ou de mélanger les fréquences optiques, convertissant la lumière laser en de nouvelles longueurs d'onde par des processus accordés en phase.

Definition

Processus optiques non linéaires médiatisés par la susceptibilité du second ordre, dans lesquels deux ondes optiques se combinent pour produire une onde à la fréquence somme, différence ou doublée, nécessitant un accord de phase pour une conversion cohérente efficace.

Scope

Ce sujet couvre les processus non linéaires du second ordre qui génèrent de la lumière à de nouvelles fréquences. Il inclut la génération de seconde harmonique, la génération de fréquences somme et différence, l'amplification et l'oscillation paramétriques optiques, ainsi que la condition primordiale d'accord de phase, obtenue par biréfringence ou quasi-accord de phase dans les cristaux polarisés périodiquement, qui permet à l'onde convertie de croître de manière cohérente. Il aborde également les harmoniques d'ordre supérieur. Il explique comment les lasers sont décalés en longueur d'onde et comment les sources accordables et de photons intriqués sont construites.

Core questions

• Comment un cristal double-t-il la fréquence de la lumière laser ?
• Qu'est-ce que l'accord de phase et pourquoi est-il essentiel ?
• Comment la génération de fréquences somme et différence et l'amplification paramétrique sont-elles liées ?
• Comment le poling périodique permet-il d'obtenir le quasi-accord de phase ?

Key concepts

• génération de seconde harmonique
• génération de fréquence somme
• génération de fréquence différence
• oscillation paramétrique optique
• accord de phase
• quasi-accord de phase
• cristaux polarisés périodiquement
• doublage de fréquence

Key theories

Seconde harmonique et mélange à trois ondes

Par la susceptibilité du second ordre, deux photons se combinent en un seul à la fréquence somme, ou un se divise en deux ; la génération de seconde harmonique est le cas particulier du doublage de fréquence, et les processus de fréquence différence et paramétriques génèrent une sortie accordable.

Accord de phase

Une conversion efficace exige que les ondes en interaction restent en phase pendant leur propagation ; ceci est réalisé en exploitant la biréfringence pour égaliser les vitesses de phase ou en inversant périodiquement la non-linéarité pour obtenir un quasi-accord de phase.

Clinical relevance

Le doublage de fréquence produit la lumière verte des lasers chirurgicaux et ophtalmiques à base de néodyme à partir d'une sortie infrarouge, et la génération de seconde harmonique dans les tissus fournit un contraste sans marquage dans la microscopie non linéaire du collagène et d'autres structures ordonnées.

History

Franken et ses collègues ont observé la première seconde harmonique optique en 1961 en focalisant un laser rubis dans du quartz. Armstrong, Bloembergen et leurs collaborateurs ont rapidement développé la théorie de l'accord de phase et des interactions non linéaires, et le quasi-accord de phase dans les cristaux polarisés périodiquement a ensuite rendu la conversion efficace largement pratique.

Key figures

• Peter Franken
• Nicolaas Bloembergen
• John Armstrong

Seminal works

• boyd2020
• franken1961

Frequently asked questions

Comment un pointeur laser vert peut-il provenir d'un laser infrarouge ?

De nombreux lasers verts utilisent un cristal non linéaire pour doubler la fréquence de la sortie infrarouge invisible d'un laser au néodyme, divisant par deux la longueur d'onde pour produire une lumière verte visible.

Pourquoi l'accord de phase est-il nécessaire ?

Parce que les ondes fondamentale et convertie se propagent généralement à des vitesses différentes dans un milieu dispersif, elles se désynchronisent et la conversion s'annule ; l'accord de phase les maintient synchronisées afin que l'onde convertie croisse le long du cristal.