การสร้างฮาร์มอนิกและการแปลงความถี่

สภาพไม่เป็นเชิงเส้นอันดับสองช่วยให้ผลึกสามารถเพิ่มความถี่แสงเป็นสองเท่าหรือผสมความถี่แสงได้ โดยแปลงแสงเลเซอร์ให้เป็นความยาวคลื่นใหม่ผ่านกระบวนการที่จับคู่เฟส

Definition

กระบวนการทางแสงที่ไม่เป็นเชิงเส้นซึ่งเกิดจากการตอบสนองอันดับสอง (second-order susceptibility) โดยที่คลื่นแสงสองคลื่นรวมกันเพื่อสร้างคลื่นที่ความถี่รวม ความถี่ต่าง หรือความถี่ที่เพิ่มเป็นสองเท่า ซึ่งต้องอาศัยการจับคู่เฟส (phase matching) เพื่อให้เกิดการแปลงที่สอดคล้องกันอย่างมีประสิทธิภาพ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกระบวนการไม่เป็นเชิงเส้นอันดับสองที่สร้างแสงที่ความถี่ใหม่ ซึ่งรวมถึงการสร้างฮาร์มอนิกอันดับสอง การสร้างความถี่รวมและความถี่ต่าง การขยายสัญญาณแบบพาราเมตริกเชิงแสงและการแกว่ง และเงื่อนไขที่สำคัญยิ่งของการจับคู่เฟส ซึ่งทำได้โดยการใช้คุณสมบัติการหักเหสองแนว (birefringence) หรือการจับคู่เฟสแบบกึ่ง (quasi-phase-matching) ในผลึกที่มีการจัดเรียงขั้วเป็นคาบ (periodically poled crystals) ซึ่งช่วยให้คลื่นที่ถูกแปลงสามารถเติบโตได้อย่างสอดคล้องกัน นอกจากนี้ยังกล่าวถึงฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นด้วย โดยอธิบายว่าเลเซอร์ถูกเปลี่ยนความยาวคลื่นได้อย่างไร และแหล่งกำเนิดแสงที่ปรับได้และโฟตอนพันกันถูกสร้างขึ้นได้อย่างไร

Core questions

• ผลึกสามารถเพิ่มความถี่ของแสงเลเซอร์เป็นสองเท่าได้อย่างไร?
• การจับคู่เฟสคืออะไรและเหตุใดจึงมีความสำคัญ?
• การสร้างความถี่รวมและความถี่ต่าง และการขยายสัญญาณแบบพาราเมตริกมีความสัมพันธ์กันอย่างไร?
• การจัดเรียงขั้วเป็นคาบทำให้เกิดการจับคู่เฟสแบบกึ่งได้อย่างไร?

Key concepts

• การสร้างฮาร์มอนิกอันดับสอง
• การสร้างความถี่รวม
• การสร้างความถี่ต่าง
• การแกว่งแบบพาราเมตริกเชิงแสง
• การจับคู่เฟส
• การจับคู่เฟสแบบกึ่ง
• ผลึกที่มีการจัดเรียงขั้วเป็นคาบ
• การเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า

Key theories

การผสมฮาร์มอนิกอันดับสองและสามคลื่น

ผ่านการตอบสนองอันดับสอง โฟตอนสองตัวรวมกันเป็นหนึ่งที่ความถี่รวม หรือหนึ่งตัวแยกออกเป็นสองตัว การสร้างฮาร์มอนิกอันดับสองเป็นกรณีพิเศษของการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า และกระบวนการความถี่ต่างและพาราเมตริกสร้างเอาต์พุตที่ปรับได้

การจับคู่เฟส

การแปลงที่มีประสิทธิภาพต้องอาศัยคลื่นที่โต้ตอบกันให้คงเฟสไว้ขณะที่พวกมันแพร่กระจาย ซึ่งจัดเตรียมโดยการใช้ประโยชน์จากการหักเหสองแนวเพื่อปรับความเร็วเฟสให้เท่ากัน หรือโดยการกลับทิศทางของสภาพไม่เป็นเชิงเส้นเป็นคาบเพื่อให้เกิดการจับคู่เฟสแบบกึ่ง

Clinical relevance

การเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าทำให้เกิดแสงสีเขียวจากเลเซอร์ผ่าตัดและจักษุวิทยาที่ใช้ธาตุกลุ่มนีโอไดเมียม (neodymium-based) จากเอาต์พุตอินฟราเรด และการสร้างฮาร์มอนิกอันดับสองในเนื้อเยื่อให้ความคมชัดแบบไม่ติดฉลาก (label-free contrast) ในกล้องจุลทรรศน์แบบไม่เป็นเชิงเส้นของคอลลาเจนและโครงสร้างที่มีระเบียบอื่นๆ

History

แฟรงเคนและคณะได้สังเกตเห็นฮาร์มอนิกอันดับสองทางแสงเป็นครั้งแรกในปี 1961 โดยการโฟกัสเลเซอร์ทับทิมเข้าไปในควอตซ์ อาร์มสตรอง บลูมเบอร์เกน และผู้ร่วมงานได้พัฒนาทฤษฎีการจับคู่เฟสและการโต้ตอบแบบไม่เป็นเชิงเส้นในเวลาต่อมา และการจับคู่เฟสแบบกึ่งในผลึกที่มีการจัดเรียงขั้วเป็นคาบได้ทำให้การแปลงที่มีประสิทธิภาพเป็นไปได้ในทางปฏิบัติอย่างกว้างขวางในภายหลัง

Key figures

• Peter Franken
• Nicolaas Bloembergen
• John Armstrong

Seminal works

• boyd2020
• franken1961

Frequently asked questions

เลเซอร์พอยเตอร์สีเขียวมาจากเลเซอร์อินฟราเรดได้อย่างไร?

เลเซอร์สีเขียวหลายชนิดใช้ผลึกที่ไม่เป็นเชิงเส้นเพื่อเพิ่มความถี่ของเอาต์พุตอินฟราเรดที่มองไม่เห็นของเลเซอร์นีโอไดเมียมเป็นสองเท่า ทำให้ความยาวคลื่นลดลงครึ่งหนึ่งเพื่อสร้างแสงสีเขียวที่มองเห็นได้

เหตุใดจึงจำเป็นต้องมีการจับคู่เฟส?

เนื่องจากคลื่นพื้นฐานและคลื่นที่ถูกแปลงมักจะเดินทางด้วยความเร็วที่แตกต่างกันในตัวกลางที่มีการกระจายตัว พวกมันจึงหลุดออกจากกันและกระบวนการแปลงจะหักล้างกันเอง การจับคู่เฟสช่วยให้พวกมันซิงโครไนซ์กันเพื่อให้คลื่นที่ถูกแปลงเติบโตไปตามผลึก