激光倍頻的原理是通過利用非線性晶體的二次非線性效應(yīng),使頻率為ω的激光通過晶體后變?yōu)轭l率為2ω的倍頻光。這一過程被稱為二次諧波生成(SHG),是首個(gè)在實(shí)驗(yàn)上被觀測到的非線性光學(xué)效應(yīng)。1961年,美國密歇根大學(xué)的Franken等人發(fā)現(xiàn)紅寶石激光(694.3 nm)通過石英晶體后產(chǎn)生了一條波長為347.15 nm的新譜線,新產(chǎn)生的光的頻率正好是原入射光的兩倍,這就是光倍頻現(xiàn)象。 P`TIaP9%E
激光倍頻的具體過程包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟: <9ifPSvJ
非線性效應(yīng):當(dāng)強(qiáng)激光通過非線性晶體時(shí),會(huì)引起晶體材料原子極化,即正負(fù)電荷中心分離,這種分離是動(dòng)態(tài)振動(dòng)的,振動(dòng)頻率與激光的頻率一致,振動(dòng)幅度與激光場強(qiáng)度相關(guān)。由于激光電磁場強(qiáng)度與極化強(qiáng)度存在非線性關(guān)系,極化強(qiáng)度與激光的電場強(qiáng)度E的平方成比例。 qC@Ar)T
相位匹配:為了實(shí)現(xiàn)有效的倍頻,需要滿足相位匹配條件,即基頻光和倍頻光的折射率在晶體中相同。這意味著在晶體中存在一個(gè)方向,使得基頻光和倍頻光的折射率一致,從而保證能量能夠從基頻光有效地轉(zhuǎn)換到倍頻光。 T2weAk#J
能量轉(zhuǎn)換:在滿足相位匹配條件下,基頻光的能量通過非線性效應(yīng)轉(zhuǎn)換為倍頻光。這個(gè)過程需要基頻光超前倍頻光0.75π,并且在晶體作用區(qū)域內(nèi),相位差空間保持不變。