Geração Harmónica e Conversão de Frequência

As não linearidades de segunda ordem permitem que os cristais dupliquem ou misturem frequências ópticas, convertendo a luz laser em novos comprimentos de onda através de processos de correspondência de fase.

Definition

Processos ópticos não lineares mediados pela suscetibilidade de segunda ordem em que duas ondas ópticas se combinam para produzir uma onda na frequência de soma, diferença ou duplicada, exigindo correspondência de fase para uma conversão coerente eficiente.

Scope

Este tópico abrange os processos não lineares de segunda ordem que geram luz em novas frequências. Inclui a geração de segundo harmónico, a geração de soma e diferença de frequências, a amplificação e oscilação paramétrica óptica, e a condição importantíssima de correspondência de fase, alcançada através de birrefringência ou quase-correspondência de fase em cristais periodicamente polarizados, que permite que a onda convertida cresça coerentemente. Também aborda harmónicos superiores. Explica como os lasers são deslocados em comprimento de onda e como são construídas fontes sintonizáveis e de fotões emaranhados.

Core questions

• Como um cristal duplica a frequência da luz laser?
• O que é correspondência de fase e por que é essencial?
• Como a geração de soma e diferença de frequências e a amplificação paramétrica estão relacionadas?
• Como a polarização periódica alcança a quase-correspondência de fase?

Key concepts

• geração de segundo harmónico
• geração de frequência de soma
• geração de frequência de diferença
• oscilação paramétrica óptica
• correspondência de fase
• quase-correspondência de fase
• cristais periodicamente polarizados
• duplicação de frequência

Key theories

Segundo harmónico e mistura de três ondas

Através da suscetibilidade de segunda ordem, dois fotões combinam-se num só na frequência de soma, ou um divide-se em dois; a geração de segundo harmónico é o caso especial de duplicação de frequência, e os processos de frequência de diferença e paramétricos geram saída sintonizável.

Correspondência de fase

A conversão eficiente exige que as ondas interagentes permaneçam em fase à medida que se propagam; isto é conseguido explorando a birrefringência para igualar as velocidades de fase ou invertendo periodicamente a não linearidade para alcançar a quase-correspondência de fase.

Clinical relevance

A duplicação de frequência produz a luz verde de lasers cirúrgicos e oftálmicos baseados em neodímio a partir da saída infravermelha, e a geração de segundo harmónico no tecido proporciona contraste sem marcadores na microscopia não linear de colagénio e outras estruturas ordenadas.

History

Franken e colegas observaram o primeiro segundo harmónico óptico em 1961, focando um laser de rubi em quartzo. Armstrong, Bloembergen e colaboradores desenvolveram rapidamente a teoria da correspondência de fase e das interações não lineares, e a quase-correspondência de fase em cristais periodicamente polarizados tornou mais tarde a conversão eficiente amplamente prática.

Key figures

• Peter Franken
• Nicolaas Bloembergen
• John Armstrong

Seminal works

• boyd2020
• franken1961

Frequently asked questions

Como um ponteiro laser verde pode vir de um laser infravermelho?

Muitos lasers verdes usam um cristal não linear para duplicar a frequência da saída infravermelha invisível de um laser de neodímio, dividindo o comprimento de onda pela metade para produzir luz verde visível.

Por que a correspondência de fase é necessária?

Como as ondas fundamental e convertida geralmente viajam a velocidades diferentes em um meio dispersivo, elas perdem a sincronia e a conversão se anula; a correspondência de fase as mantém sincronizadas para que a onda convertida cresça ao longo do cristal.