倍頻和諧波產(chǎn)生

圖:二次諧波發(fā)生晶體的基本功能

即使有廣泛的商用激光器選擇，也不可能總是找到一個與特定應(yīng)用所需的波長完全匹配的激光器。鈦藍(lán)寶石激光器可廣泛調(diào)諧，但在大多數(shù)情況下，它們對于工業(yè)應(yīng)用來說過于復(fù)雜，并且無法達(dá)到光譜中最重要的紫外區(qū)域。opsl很簡單，可以設(shè)計在920- 1160納米范圍內(nèi)的許多波長，但不適合脈沖操作。為了在幾乎任何工作狀態(tài)下獲得所需的波長-連續(xù)波，脈沖或超快-諧波頻率轉(zhuǎn)換和參數(shù)生成過程在與迄今為止描述的激光器結(jié)合使用時提供了波長靈活性。所有這些過程都是相互關(guān)聯(lián)的，因為它們的強度非線性地依賴于激光的峰值功率，所以被稱為非線性光學(xué)過程。也就是說，它們與激光峰值功率的平方、三分之一或更高的功率成正比。

簡單地說，當(dāng)一束強烈的和/或緊密聚焦的激光束穿過合適的晶體時，它的振蕩電場以幾種方式與晶體的電子相互作用。其中一種機制會扭曲晶體中的電子云，從而使原子以與激光束相同的頻率偏振，但頻率也是激光束的兩倍(非線性偏振)。這個頻率對應(yīng)的波長是入射激光的一半。非線性極化比線性項小得多，但它取決于激光峰值功率的平方，因此在強激光脈沖存在時增加得更強。它產(chǎn)生的光場頻率是原激光束的兩倍，其結(jié)果是部分入射激光功率將被轉(zhuǎn)換為原波長的一半(二次諧波產(chǎn)生(SHG)或倍頻)(圖9)。由于必須守恒能量，SHG光束的任何增益都是以原光束功率的降低為代價的。在某些情況下，有可能實現(xiàn)原始(“基”)光束幾乎完全轉(zhuǎn)換為其二次諧波。常見的SHG晶體有BBO、LBO和KDP。SHG最常見的例子是將基于nd的激光紅外輸出在1064nm轉(zhuǎn)換為532nm(綠色)的綠色輸出，構(gòu)成最流行的可見波長，普遍用于泵浦Ti：藍(lán)寶石激光器。

只有在“相位匹配”的條件下才能實現(xiàn)高效的SHG。在大多數(shù)情況下，新頻率的光會被重新轉(zhuǎn)換到原來的頻率，失去或根本不加相來產(chǎn)生任何相當(dāng)大的功率。這個困難是通過選擇晶體溫度和取向來克服的，這種晶體溫度和取向創(chuàng)造了所謂的相位匹配條件，在這種條件下，基頻光和二次諧波光的相速度是相同的。這是通過在晶體中選擇特定的傳播方向(通常是溫度和波長的函數(shù))來實現(xiàn)的，這樣兩種波就能以相同的速度傳播。

SHG過程的擴(kuò)展是三次諧波發(fā)生(THG)，其中入射波長三分之一處的波長是由SHG光束與其基波的相互作用產(chǎn)生的;以及四次諧波發(fā)生(FHG)，其中SHG光束再次被倍頻。所有這些諧波過程都可以概括為頻率混合，其中不同波長的兩個相干光束被混合以產(chǎn)生和頻和差頻生成(分別為SFG和DFG)。

諧波產(chǎn)生可以應(yīng)用于連續(xù)波、脈沖和超快激光器，大大擴(kuò)展了可用波長的范圍。脈沖或超快激光有足夠的峰值功率(千瓦范圍)，以實現(xiàn)相對較高的轉(zhuǎn)換效率，在一次通過諧波晶體。另一方面，連續(xù)波激光器通常不能產(chǎn)生足夠的功率來產(chǎn)生有效的諧波，因此晶體中的功率必須通過將非線性晶體放入激光腔內(nèi)(“腔內(nèi)加倍”)來增強，或者在晶體周圍建立一個與原始連續(xù)波激光腔的模式相匹配的特殊腔(“諧振加倍”)。

審核編輯 黃宇