倍频和谐波产生

图:二次谐波发生晶体的基本功能

即使有广泛的商用激光器选择，也不可能总是找到一个与特定应用所需的波长完全匹配的激光器。钛蓝宝石激光器可广泛调谐，但在大多数情况下，它们对于工业应用来说过于复杂，并且无法达到光谱中最重要的紫外区域。opsl很简单，可以设计在920- 1160纳米范围内的许多波长，但不适合脉冲操作。为了在几乎任何工作状态下获得所需的波长-连续波，脉冲或超快-谐波频率转换和参数生成过程在与迄今为止描述的激光器结合使用时提供了波长灵活性。所有这些过程都是相互关联的，因为它们的强度非线性地依赖于激光的峰值功率，所以被称为非线性光学过程。也就是说，它们与激光峰值功率的平方、三分之一或更高的功率成正比。

简单地说，当一束强烈的和/或紧密聚焦的激光束穿过合适的晶体时，它的振荡电场以几种方式与晶体的电子相互作用。其中一种机制会扭曲晶体中的电子云，从而使原子以与激光束相同的频率偏振，但频率也是激光束的两倍(非线性偏振)。这个频率对应的波长是入射激光的一半。非线性极化比线性项小得多，但它取决于激光峰值功率的平方，因此在强激光脉冲存在时增加得更强。它产生的光场频率是原激光束的两倍，其结果是部分入射激光功率将被转换为原波长的一半(二次谐波产生(SHG)或倍频)(图9)。由于必须守恒能量，SHG光束的任何增益都是以原光束功率的降低为代价的。在某些情况下，有可能实现原始(“基”)光束几乎完全转换为其二次谐波。常见的SHG晶体有BBO、LBO和KDP。SHG最常见的例子是将基于nd的激光红外输出在1064nm转换为532nm(绿色)的绿色输出，构成最流行的可见波长，普遍用于泵浦Ti：蓝宝石激光器。

只有在“相位匹配”的条件下才能实现高效的SHG。在大多数情况下，新频率的光会被重新转换到原来的频率，失去或根本不加相来产生任何相当大的功率。这个困难是通过选择晶体温度和取向来克服的，这种晶体温度和取向创造了所谓的相位匹配条件，在这种条件下，基频光和二次谐波光的相速度是相同的。这是通过在晶体中选择特定的传播方向(通常是温度和波长的函数)来实现的，这样两种波就能以相同的速度传播。

SHG过程的扩展是三次谐波发生(THG)，其中入射波长三分之一处的波长是由SHG光束与其基波的相互作用产生的;以及四次谐波发生(FHG)，其中SHG光束再次被倍频。所有这些谐波过程都可以概括为频率混合，其中不同波长的两个相干光束被混合以产生和频和差频生成(分别为SFG和DFG)。

谐波产生可以应用于连续波、脉冲和超快激光器，大大扩展了可用波长的范围。脉冲或超快激光有足够的峰值功率(千瓦范围)，以实现相对较高的转换效率，在一次通过谐波晶体。另一方面，连续波激光器通常不能产生足够的功率来产生有效的谐波，因此晶体中的功率必须通过将非线性晶体放入激光腔内(“腔内加倍”)来增强，或者在晶体周围建立一个与原始连续波激光腔的模式相匹配的特殊腔(“谐振加倍”)。

审核编辑 黄宇