谐波产生与频率转换

二阶非线性效应使晶体能够倍增或混合光学频率，通过相位匹配过程将激光转换为新的波长。

Definition

由二阶磁化率介导的非线性光学过程，其中两个光波结合产生一个和频、差频或倍频波，需要相位匹配才能实现高效的相干转换。

Scope

本主题涵盖产生新频率光的二阶非线性过程。它包括二次谐波产生、和频与差频产生、光学参量放大和振荡，以及通过双折射或周期性极化晶体中的准相位匹配实现的至关重要的相位匹配条件，该条件允许转换波实现相干增长。它还涉及高次谐波。它解释了激光如何进行波长转换以及如何构建可调谐和纠缠光子源。

Core questions

• 晶体如何使激光频率倍增？
• 什么是相位匹配，为什么它至关重要？
• 和频、差频产生和参量放大之间有什么关系？
• 周期性极化如何实现准相位匹配？

Key concepts

• 二次谐波产生
• 和频产生
• 差频产生
• 光学参量振荡
• 相位匹配
• 准相位匹配
• 周期性极化晶体
• 倍频

Key theories

二次谐波和三波混频

通过二阶磁化率，两个光子结合成一个和频光子，或者一个光子分裂成两个；二次谐波产生是倍频的特例，差频和参量过程产生可调谐输出。

相位匹配

高效转换要求相互作用的波在传播过程中保持同相；这通过利用双折射来均衡相速度或通过周期性反转非线性以实现准相位匹配来安排。

Clinical relevance

倍频技术将基于钕的 хирургический 和眼科激光器的红外输出转换为绿光，而组织中的二次谐波产生则为胶原蛋白和其他有序结构的非线性显微成像提供了免标记对比度。

History

1961年，Franken及其同事通过将红宝石激光聚焦到石英中，首次观察到光学二次谐波。Armstrong、Bloembergen及其合作者很快发展了相位匹配和非线性相互作用的理论，后来周期性极化晶体中的准相位匹配使高效转换变得广泛实用。

Key figures

• Peter Franken
• Nicolaas Bloembergen
• John Armstrong

Seminal works

• boyd2020
• franken1961

Frequently asked questions

绿色激光笔如何由红外激光产生？

许多绿色激光器使用非线性晶体将钕激光器不可见的红外输出进行倍频，将波长减半以产生可见的绿光。

为什么需要相位匹配？

因为基波和转换波在色散介质中通常以不同速度传播，它们会逐渐失步，导致转换相互抵消；相位匹配使它们保持同步，从而使转换波沿晶体增长。