光學倍頻

簡介

這是一種常見而重要的二階非線性光學效應。雷射出現後的1961年，P.A.弗蘭肯等人首次利用石英晶體將紅寶石雷射器發出的波長為 694.3納米的雷射轉變成波長為347.15納米的倍頻雷射，從而開始了非線性光學的主要歷史階段。

來源

光學倍頻來源於媒質在基頻光波電場作用下產生的二階非線性極化，即極化強度中與光波電場二次方成比例的部分這一部分極化強度相當於存在一種頻率為2的振盪電偶極矩。基頻光波在媒質中傳播的同時激勵起一系列這樣的振盪電偶極矩。它們在空間中的分布就好比一個按一定規則排列的偶極矩陣列，偶極矩之間有一定的相對位相。由於陣列中每個電偶極矩都要輻射頻率為2的光波, 故偶極矩陣列的輻射應是這些光波互相干涉的結果。無疑，只當干涉是相互加強時才會有效地產生倍頻光輸出為此，陣列中各振盪電偶極矩間要保持恰當的位相關係，從此便產生了所謂位相匹配條件k(2)=2k(),它是產生光學倍頻的重要條件,其中k()和k(2)分別為基頻和倍頻光在媒質中的波矢當這兩個光波沿同一方向傳播時，此條件轉化為要求媒質中倍頻光的折射率(2)等於基頻光的折射率。

通常利用晶體本身的雙折射性質來實現位相匹配。例如，對於負單軸晶體，在正常色散情況下，可選擇光的偏振方向使基頻光為尋常光，倍頻光為非常光，再通過恰當選取光波傳播方向與晶軸的夾角來實現位相匹配。

當滿足位相匹配條件時，倍頻光功率密度正比於基頻光功率密度的二次方，也正比於晶體作用長度的二次方。此外還與媒質的倍頻係數（二階非線性極化率）二次方成正比。

套用

光學倍頻可將紅外雷射轉變為可見雷射，或將可見雷射轉變為波長更短的雷射，從而擴展雷射譜線覆蓋的範圍。在雷射技術中已被廣泛採用。為得到波長更短的雷射可用多級倍頻。

目前已有許多種倍頻晶體，且可達到相當高的倍頻轉換效率。對於可見及近紅外的基頻光，常用的倍頻晶體有 KDP、KDPADP、LiIO、CDA等等, 轉換效率可高達30%～50%。對於中紅外基頻光,常用晶體為AgAsS、GdGeAs、Te、CdSe等，轉換效率為5%～15%左右。

光學倍頻

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