고조파 생성 및 주파수 변환

2차 비선형성은 결정이 광학 주파수를 두 배로 늘리거나 혼합하여 위상 정합 과정을 통해 레이저 빛을 새로운 파장으로 변환할 수 있도록 합니다.

Definition

2차 감수율에 의해 매개되는 비선형 광학 과정으로, 두 개의 광파가 결합하여 합, 차 또는 두 배의 주파수에서 파동을 생성하며, 효율적인 일관된 변환을 위해 위상 정합이 필요합니다.

Scope

이 주제는 새로운 주파수에서 빛을 생성하는 2차 비선형 과정을 다룹니다. 여기에는 2차 고조파 생성, 합-주파수 및 차-주파수 생성, 광학 파라메트릭 증폭 및 발진, 그리고 변환된 파동이 일관되게 성장할 수 있도록 하는 복굴절 또는 주기적으로 분극된 결정에서의 준-위상 정합을 통해 달성되는 매우 중요한 위상 정합 조건이 포함됩니다. 또한 고차 고조파에 대해서도 다룹니다. 이 주제는 레이저가 파장에서 어떻게 이동하고 조정 가능한 광원 및 얽힌 광자 광원이 어떻게 구축되는지 설명합니다.

Core questions

• 결정은 어떻게 레이저 빛의 주파수를 두 배로 늘립니까?
• 위상 정합이란 무엇이며 왜 필수적입니까?
• 합-주파수 및 차-주파수 생성과 파라메트릭 증폭은 어떻게 관련되어 있습니까?
• 주기적인 분극은 어떻게 준-위상 정합을 달성합니까?

Key concepts

• 2차 고조파 생성
• 합-주파수 생성
• 차-주파수 생성
• 광학 파라메트릭 발진
• 위상 정합
• 준-위상 정합
• 주기적으로 분극된 결정
• 주파수 배가

Key theories

2차 고조파 및 3파 혼합

2차 감수율을 통해 두 개의 광자가 합 주파수에서 하나로 결합하거나 하나가 둘로 분리됩니다. 2차 고조파 생성은 주파수 배가의 특별한 경우이며, 차-주파수 및 파라메트릭 과정은 조정 가능한 출력을 생성합니다.

위상 정합

효율적인 변환을 위해서는 상호작용하는 파동이 전파되는 동안 위상을 유지해야 합니다. 이는 복굴절을 이용하여 위상 속도를 동일하게 하거나 비선형성을 주기적으로 역전시켜 준-위상 정합을 달성함으로써 이루어집니다.

Clinical relevance

주파수 배가는 네오디뮴 기반 수술 및 안과용 레이저의 적외선 출력에서 녹색광을 생성하며, 조직 내 2차 고조파 생성은 콜라겐 및 기타 질서 있는 구조의 비선형 현미경 검사에서 표지자 없는 대비를 제공합니다.

History

Franken과 동료들은 1961년 루비 레이저를 석영에 집중시켜 최초의 광학 2차 고조파를 관찰했습니다. Armstrong, Bloembergen 및 공동 연구자들은 곧 위상 정합 및 비선형 상호작용 이론을 개발했으며, 주기적으로 분극된 결정에서의 준-위상 정합은 나중에 효율적인 변환을 널리 실용화했습니다.

Key figures

• Peter Franken
• Nicolaas Bloembergen
• John Armstrong

Seminal works

• boyd2020
• franken1961

Frequently asked questions

녹색 레이저 포인터는 어떻게 적외선 레이저에서 나올 수 있습니까?

많은 녹색 레이저는 비선형 결정을 사용하여 네오디뮴 레이저의 보이지 않는 적외선 출력을 주파수 배가하여 파장을 절반으로 줄여 가시적인 녹색광을 생성합니다.

위상 정합이 왜 필요합니까?

기본파와 변환된 파동은 분산 매질에서 일반적으로 다른 속도로 이동하기 때문에 서로 어긋나게 되고 변환이 상쇄됩니다. 위상 정합은 이들을 동기화하여 변환된 파동이 결정 내에서 성장하도록 합니다.