圖:二次諧波發生晶體的基本功能

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用所需的波長完全匹配的激光器。鈦藍寶石激光器可廣泛調諧，但在大多數情況下，它們對于工業應用來說過于復雜，并且無法達到光譜中最重要的紫外區域。opsl很簡單，可以設計在920- 1160納米范圍內的許多波長，但不適合脈沖操作。為了在幾乎任何工作狀態下獲得所需的波長-連續波，脈沖或超快-諧波頻率轉換和參數生成過程在與迄今為止描述的激光器結合使用時提供了波長靈活性。所有這些過程都是相互關聯的，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。它產生的光場頻率是原激光束的兩倍，其結果是部分入射激光功率將被轉換為原波長的一半(二次諧波產生(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，有可能實現原始(“基”)光束幾乎完全轉換為其二次諧波。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轉換為532nm(綠色)的綠色輸出，構成最流行的可見波長，普遍用于泵浦Ti：藍寶石激光器。

只有在“相位匹配”的條件下才能實現高效的SHG。在大多數情況下，新頻率的光會被重新轉換到原來的頻率，失去或根本不加相來產生任何相當大的功率。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)來實現的，這樣兩種波就能以相同的速度傳播。

SHG過程的擴展是三次諧波發生(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生的;以及四次諧波發生(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生和頻和差頻生成(分別為SFG和DFG)。

諧波產生可以應用于連續波、脈沖和超快激光器，大大擴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)，以實現相對較高的轉換效率，在一次通過諧波晶體。另一方面，連續波激光器通常不能產生足夠的功率來產生有效的諧波，因此晶體中的功率必須通過將非線性晶體放入激光腔內(“腔內加倍”)來增強，或者在晶體周圍建立一個與原始連續波激光腔的模式相匹配的特殊腔(“諧振加倍”)。

審核編輯 黃宇