Tạo sóng hài và Chuyển đổi tần số

Các phi tuyến tính bậc hai cho phép tinh thể nhân đôi hoặc trộn các tần số quang học, chuyển đổi ánh sáng laser sang các bước sóng mới thông qua các quá trình khớp pha.

Definition

Các quá trình quang học phi tuyến tính được điều hòa bởi độ cảm thụ bậc hai, trong đó hai sóng quang học kết hợp để tạo ra một sóng ở tần số tổng, hiệu hoặc tần số nhân đôi, đòi hỏi khớp pha để chuyển đổi mạch lạc hiệu quả.

Scope

Chủ đề này bao gồm các quá trình phi tuyến tính bậc hai tạo ra ánh sáng ở các tần số mới. Nó bao gồm tạo sóng hài bậc hai, tạo tần số tổng và hiệu, khuếch đại và dao động tham số quang học, và điều kiện khớp pha cực kỳ quan trọng, đạt được thông qua lưỡng chiết hoặc khớp pha giả trong các tinh thể phân cực định kỳ, cho phép sóng được chuyển đổi phát triển một cách mạch lạc. Nó cũng đề cập đến các sóng hài bậc cao hơn. Nó giải thích cách các laser được dịch chuyển bước sóng và cách các nguồn có thể điều chỉnh và các nguồn photon vướng víu được xây dựng.

Core questions

• Một tinh thể làm thế nào để nhân đôi tần số của ánh sáng laser?
• Khớp pha là gì và tại sao nó lại cần thiết?
• Tạo tần số tổng và hiệu và khuếch đại tham số có liên quan như thế nào?
• Sự phân cực định kỳ đạt được khớp pha giả như thế nào?

Key concepts

• tạo sóng hài bậc hai
• tạo tần số tổng
• tạo tần số hiệu
• dao động tham số quang học
• khớp pha
• khớp pha giả
• tinh thể phân cực định kỳ
• nhân đôi tần số

Key theories

Sóng hài bậc hai và trộn ba sóng

Thông qua độ cảm thụ bậc hai, hai photon kết hợp thành một ở tần số tổng, hoặc một photon tách thành hai; tạo sóng hài bậc hai là trường hợp đặc biệt của nhân đôi tần số, và các quá trình tạo tần số hiệu và tham số tạo ra đầu ra có thể điều chỉnh.

Khớp pha

Chuyển đổi hiệu quả đòi hỏi các sóng tương tác phải giữ pha khi chúng truyền đi; điều này được sắp xếp bằng cách khai thác lưỡng chiết để cân bằng vận tốc pha hoặc bằng cách đảo ngược định kỳ tính phi tuyến tính để đạt được khớp pha giả.

Clinical relevance

Nhân đôi tần số tạo ra ánh sáng xanh của các laser phẫu thuật và nhãn khoa dựa trên neodymium từ đầu ra hồng ngoại, và tạo sóng hài bậc hai trong mô cung cấp độ tương phản không cần nhãn trong kính hiển vi phi tuyến tính của collagen và các cấu trúc có trật tự khác.

History

Franken và các đồng nghiệp đã quan sát sóng hài bậc hai quang học đầu tiên vào năm 1961 bằng cách tập trung một laser ruby vào thạch anh. Armstrong, Bloembergen và các cộng sự đã sớm phát triển lý thuyết về khớp pha và tương tác phi tuyến tính, và khớp pha giả trong các tinh thể phân cực định kỳ sau đó đã làm cho việc chuyển đổi hiệu quả trở nên thực tế rộng rãi.

Key figures

• Peter Franken
• Nicolaas Bloembergen
• John Armstrong

Seminal works

• boyd2020
• franken1961

Frequently asked questions

Làm thế nào một con trỏ laser xanh có thể đến từ một laser hồng ngoại?

Nhiều laser xanh sử dụng một tinh thể phi tuyến tính để nhân đôi tần số đầu ra hồng ngoại không nhìn thấy của một laser neodymium, giảm một nửa bước sóng để tạo ra ánh sáng xanh nhìn thấy được.

Tại sao cần khớp pha?

Bởi vì sóng cơ bản và sóng được chuyển đổi thường truyền với tốc độ khác nhau trong một môi trường tán sắc, chúng lệch pha và sự chuyển đổi tự hủy bỏ; khớp pha giữ chúng đồng bộ để sóng được chuyển đổi phát triển dọc theo tinh thể.