Генерация гармоник

Нелинейный оптический процесс

Генерация N-й гармоники

Генерация гармоник ( ГГ , также называемая генерацией множественных гармоник ) — это нелинейный оптический процесс, в котором фотоны с одинаковой частотой взаимодействуют с нелинейным материалом, «объединяются» и генерируют новый фотон с энергией, в раз превышающей энергию исходных фотонов (что эквивалентно частоте , умноженной на длину волны , деленную на ). ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$

Общий процесс

В среде, имеющей существенную нелинейную восприимчивость , возможна генерация гармоник. Обратите внимание, что для четных порядков ( ), среда не должна иметь центра симметрии (нецентросимметрична). ^[1] ${\displaystyle n=2,4,\dots }$

Поскольку процесс требует, чтобы множество фотонов присутствовало в одно и то же время и в одном и том же месте, вероятность возникновения процесса генерации мала, и эта вероятность уменьшается с порядком . Для эффективной генерации симметрия среды должна позволять усиливать сигнал (например, посредством фазового согласования ), а источник света должен быть интенсивным и хорошо контролируемым в пространстве (с коллимированным лазером ) и во времени (больше сигнала, если лазер имеет короткие импульсы). ^[2] ${\displaystyle n}$

Генерация суммарной частоты (SFG)

Особый случай, в котором число фотонов во взаимодействии равно , но с двумя разными фотонами на частотах и ​​. ${\displaystyle n=2}$ ${\displaystyle \omega _{1}}$ ${\displaystyle \omega _{2}}$

Генерация второй гармоники (ГВГ)

Частный случай, в котором число фотонов во взаимодействии равно . Также частный случай генерации суммарной частоты, в котором оба фотона находятся на одной и той же частоте . ${\displaystyle n=2}$ ${\displaystyle \omega }$

Генерация третьей гармоники (ГТГ)

Особый случай, в котором число фотонов во взаимодействии равно , если все фотоны имеют одинаковую частоту . Если они имеют разную частоту, то предпочтительнее общий термин четырехволнового смешения . Этот процесс включает нелинейную восприимчивость 3-го порядка . ^[3] ${\displaystyle n=3}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle \chi ^{(3)}}$

В отличие от SHG, это объемный процесс ^[4] , который был продемонстрирован в жидкостях. ^[5] Однако он усиливается на границах раздела. ^[6]

Материалы, используемые для THG

Нелинейные кристаллы, такие как BBO (β-BaB ₂ O ₄ ) или LBO , могут преобразовывать THG, в противном случае THG может быть получен из мембран в микроскопии. ^[7]

Генерация четвертой гармоники (FHG или 4HG)

Особый случай, в котором число фотонов во взаимодействии равно . Сообщалось около 2000 года, ^[8] мощные лазеры теперь позволяют эффективно использовать FHG. Этот процесс включает нелинейную восприимчивость 4-го порядка . ${\displaystyle n=4}$ ${\displaystyle \chi ^{(4)}}$

Материалы, используемые для FHG

Некоторые BBO (β-BaB ₂ O ₄ ) используются для FHG. ^[9]

Генерация гармоник для н > 4 {\displaystyle n>4}

Генерация гармоник для (5HG) или более теоретически возможна, но взаимодействие требует очень большого числа фотонов для взаимодействия и, следовательно, имеет низкую вероятность возникновения: сигнал на более высоких гармониках будет очень слабым и потребует генерации очень интенсивных лазеров. Для генерации высоких гармоник (вроде и т. д.) может быть использован существенно иной процесс генерации высоких гармоник . ${\displaystyle n=5}$ ${\displaystyle n=30}$

Источники

• Бойд, РВ (2007). Нелинейная оптика (третье изд.). Elsevier. ISBN 9780123694706.
• Сазерленд, Ричард Л. (2003). Справочник по нелинейной оптике (2-е изд.). CRC Press. ISBN 9780824742430.
• Хехт, Юджин (2002). Оптика (4-е изд.). Эддисон-Уэсли. ISBN 978-0805385663.
• Зернике, Фриц; Мидвинтер, Джон Э. (2006). Прикладная нелинейная оптика. Dover Publications. ISBN 978-0486453606.

Смотрите также

• Нелинейная оптика
• Генерация второй гармоники
• Генерация высоких гармоник
• Оптический умножитель частоты

Ссылки

1. Бойд, Р. (2007). «Нелинейная оптическая восприимчивость». Нелинейная оптика (третье изд.). С. 1–67. doi :10.1016/B978-0-12-369470-6.00001-0. ISBN 9780123694706. S2CID  15660817.
2. Сазерленд, Ричард Л. (2003). Справочник по нелинейной оптике (2-е изд.). CRC Press. ISBN 9780824742430.
3. Boyd, RW (2007). Нелинейная оптика (третье изд.). Elsevier. ISBN 9780123694706.
4. Moreaux, Laurent; Sandre, Olivier; Charpak, Serge; Blanchard-Desce, Mireille; Mertz, Jerome (2001). «Когерентное рассеяние в многогармонической световой микроскопии». Biophysical Journal . 80 (3): 1568–1574. Bibcode :2001BpJ....80.1568M. doi :10.1016/S0006-3495(01)76129-2. ISSN  0006-3495. PMC 1301348 . PMID  11222317. 
5. Kajzar, F.; Messier, J. (1985). «Генерация третьей гармоники в жидкостях». Physical Review A. 32 ( 4): 2352–2363. Bibcode : 1985PhRvA..32.2352K. doi : 10.1103/PhysRevA.32.2352. ISSN  0556-2791. PMID  9896350.
6. Cheng, Ji-Xin; Xie, X. Sunney (2002). «Формулировка функции Грина для микроскопии генерации третьей гармоники». Журнал оптического общества Америки B. 19 ( 7): 1604. Bibcode : 2002JOSAB..19.1604C. doi : 10.1364/JOSAB.19.001604. ISSN  0740-3224.
7. Павоне, Франческо С.; Кампаньола, Пол Дж. (2016). Генерация второй гармоники, 2-е издание. CRC Taylor&Francis. ISBN 978-1-4398-4914-9.
8. Кодзима, Тецуо; Конно, Сусуму; Фудзикава, Шуичи; Ясуи, Кодзи; Ёсидзава, Кендзи; Мори, Юске; Сасаки, Такатомо; Танака, Мицухиро; Окада, Юкикацу (2000). «Генерация ультрафиолетового луча мощностью 20 Вт за счет генерации четвертой гармоники твердотельного лазера». Оптические письма . 25 (1): 58–60. Бибкод : 2000OptL...25...58K. дои : 10.1364/OL.25.000058. ISSN  0146-9592. ПМИД  18059781.
9. "BBO для FHG". raicol.com . Получено 2019-12-01 .