激光倍频计算的奥秘
日期：2025-01-09 浏览量：2024什么是激光倍频
激光倍频是指激光经过倍频晶体（LBO、BBO）生成波长减小一半，频率加倍的激光，晶体对1064nm强光倍频后为532的绿光。
激光倍频就是利用：非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光。如将1.064微米的激光通过倍频晶体，变成0.532微米的绿光。将0.532微米的绿光通过倍频晶体，变成0.266微米的深紫外光。倍频技术扩大了激光的波段，可获得更短波长、更高频率的激光。
激光倍频的好处
激光的波长越短，频率越高，电磁波周期越短，电磁波的能量越高，激光的粒子性越强，穿透力越强，传送完整电磁波的周期越短，激光脉冲的最短时间越短。
脉冲越短，所需要的电磁波的周期越短，频率越高。
这就是为什么皮秒或飞秒激光器的电磁波的频率越高的原因。
激光倍频的基本原理
色散是复色光分解为单色光而形成光谱的现象。色散可以利用棱镜或光栅等作用为色散系统的仪器来实现。如复色光进入棱镜后，由于它对各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成光谱。例如太阳光通过三棱镜后，产生自红到紫循序排列的彩色连续光谱。复色光通过光栅或干涉仪时，由于光的衍射和干涉作用，也能使各种色光分散。
从广泛的意义上来说，色散不仅指光波分解成频谱（折射率随频率的变化而变化），而且任何物理量只要随频率(或波长)变化而变化，都称色散，例如旋光色散等。
使入射晶体的基频光和产生的倍频光具有不同的偏振态，而所用晶体应预先根据晶体光学的理论和有关的折射率数据，计算出切割晶体的方向，磨制成所需形状，使基频光和倍频光能满足相位匹配条件。
激光强度很高，因此会引起晶体材料原子极化，也就是正负电荷中心分离。这种分离是动态振动的，而且振动频率与激光的频率一致，振动幅度与激光场强度相关。因为激光电磁场强度与极化强度存在非线性。对于2阶非线性，也就是极化强度与激光的电场强度E的平方成比例。
原子极化是指分子或基团中的各原子核在外电场作用下彼此发生相对位移，分子中带正电荷重心向负极方向移动，负电荷重心向正极方向移动，两者的相对位置发生变化而引起分子变形，产生偶极矩，称为原子极化。原子极化伴随着微量的能量消耗，极化所需时间比电子极化稍长。
基频光电场强度是波动的，由三角函数可知，cosa*cosa=0.5*(cos2a+1)。也就是2阶非线性将产生倍频极化振动和0频极化偏置。这个倍频极化（正负电荷距离的振动）将产生倍频光，或者对经过的倍频激光起到增益的作用。这个转化或者增强倍频光，需要满足两个条件。
（1）基频光超前倍频光0.75π；
（2）在晶体作用区域内，相位差空间保持不变。
这个需要材料对2种频率的折射率一致。
一般的材料都是随着光频的增大，折射率增大。
BBO类似这样的晶体在某个方向上可以满足折射率一致，折射率一致保证了在晶体内某个方向一定长度的空间耦合区域固定条件波形相差稳定。实际中存在一定的偏差，所以耦合长度是有限的，这个就是激光晶体的特征长度。
下图黑色是激光的基频光（1064nm），蓝色为基频光的平方，也是2倍频极化振动，红色为生成的2倍频光(532nm)，可见，生产成的2倍频的激光相位滞后于激励源（激励源的平方）相位。
倍频的条件
倍频的条件是：晶体总可以找到一个方向，使频率f1的基频激光，转化成2*f1频率的倍频光，折射率能够相同(光子动量守恒)，这样晶体中就可以存在理想的增益特征长度。
能量能够持续地从f1的基频激光转换到2*f1的倍频光中。
分类
按照入射基波的偏振态又可将角度匹配方式分为两类：
（1）一种是基波取单一的线偏振光(如o光)形式入射，而倍频波为另一状态的线偏振光(如e光)，这种情况通常称之为第I类相位匹配。这一倍频过程用一式子表示为“o + o→e”，因为两个基波的偏振方向是平行的，所以又称平行式位相匹配。
（2）另一种情况是基波同时取两种不同的线偏振光(o光e光)形式入射，即两者的偏振方向是相垂直的，而产生的倍频波为单一状态的线偏振光(如e光)，这种情况通常称为第Ⅱ类位相匹配，记作“e + o→e”。因为第Ⅱ类匹配方式，在非线性极化过程中，不是单纯由基波的o光(或e光)的分量乘积在起作用，而是o光和e光分量同时在起作用。
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