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非线性光学频率转换的理论及实验研究
摘要
随着人们对光学现象的深入研究，非线性光学频率转换理论与应用也得到了广泛的关注和研究。本文通过对非线性光学频率转换原理的阐述，介绍了光学二次谐波发生器、光学参量振荡器和光学光纤参数放大器等频率转换装置，探讨了频率转换技术在通信、光学测量、高能物理等领域的应用前景。
关键词：非线性光学，频率转换，二次谐波，参量振荡器，参数放大器
Abstract
Withthedeepeningresearchofopticalphenomenon,thetheoryandapplicationofnonlinearopticalfrequencyconversionhavealsoattractedwideattentionandresearch.Thispaperelaboratestheprincipleofnonlinearopticalfrequencyconversionandintroducesfrequencyconversiondevicessuchasopticalsecondharmonicgenerator,opticalparametricoscillatorandopticalfiberparametricamplifier.Theapplicationprospectoffrequencyconversiontechnologyincommunication,opticalmeasurement,highenergyphysicsandotherfieldsisexplored.
Keywords:nonlinearoptics,frequencyconversion,secondharmonic,parametricoscillator,parametricamplifier
一、引言
光学非线性效应是一种特殊的光学现象，指的是当光束的光强变化足够大时，会导致光的频率、相位和幅度发生变化，而这种现象在传统的线性光学效应中是不存在的。利用光学非线性效应，可以在光学领域实现诸如光电子学，激光技术，量子信息等方面的应用。而非线性光学频率转换更是其中的一个重要研究方向。
非线性光学频率转换是指通过一定的方法和手段，将一定的光频率转化为另一种光频率的过程。频率转换具有广泛的应用前景，在通信、光学测量、高能物理等领域已经有了很多成功的应用。本文将详细阐述非线性光学频率转换的原理及实验研究。
二、非线性光学频率转换的原理
非线性光学频率转换是一种通过将光子在非线性介质中的相互作用转化为光子之间的相互作用来实现频率转换的技术，其基本原理是光子之间的非线性相互作用。非线性相互作用是指，当光子通过非线性介质时，光子本身的电场会激发介质中的电子，从而在介质中产生非线性极化，由此产生频率转换过程。
一般地，非线性光学频率转换可以分为三种形式：二次谐波发生、参量振荡和参数放大。下面分别介绍这三种形式。
1.二次谐波发生（SecondHarmonicGeneration,SHG）
二次谐波发生指的是将两个相同的光束作用在具有二阶非线性光学极化的晶体上，通过非线性极化过程产生二次谐波。二次谐波极化率为二阶时，二次谐波频率为两个基础光频率的和。
图1二次谐波发生示意图
2.参量振荡（OpticalParametricOscillation,OPO）
参量振荡指的是利用一个光的频率产生并放大另一个光的频率的过程。通常是首先将一个激发泵浦光通过非线性晶体或介质中的参量过程或者相位匹配过程，激发出振荡和放大新频率的信号光和参量光，新频率通常是信号光和参量光的差。
图2参量振荡示意图
3.参数放大（ParametricAmplification,PA）
参数放大也是利用非线性相互作用的一个过程。参数放大技术通过控制非线性晶体或介质中的参量过程或相位匹配过程，来放大输入信号在另一个频率的倍频输出。与OPO直接输出不同，PA输出的是二次谐波，不需要将基波和次谐波分别分离，并且可以提供更高的效率。
图3参数放大示意图
三、非线性光学频率转换的实验研究
1.激光二次谐波发生器
在二次谐波发生实验中，我们通常使用的晶体是具有二阶非线性光学极化特性的晶体，如KDP、BBO、LBO等。下面我们以利用KDP晶体制备激光二次谐波为例，简单介绍其实验过程。
激光二次谐波实验主要需要的设备是Nd:YAG激光器，KDP晶体和零级傅立叶干涉仪等。实验步骤为：
（1）调整激光器的谐波生成元件，使谐波较好地保持在共面波前的状态；
（2）将激光通过角度调整好的KDP晶体，进行二次谐波转换；
（3）通过零级傅立叶干涉仪检验二次谐波的强度和相位。
2.光学参量振荡器
参量振荡器可以在很多情况下充当可调的激光器，用于提供大约100-4000nm范围内