PPLN晶体的倍频、OPA、OPO及THz太赫兹产生

在激光器中利用非线性晶体PPLN，就可以产生SHG/THG/FHG倍频、OPO光学参量振荡、OPA光学参量放大、THz太赫兹等激光，它们的产生原理如上两图所示，就是满足能量守恒原理，其中SHG二倍频产生是SFG和频产生的一个特例，DFG为差频产生，OPA光学参量放大与OPO光学参量振荡是OPG光学参量产生的两个具体例子。

左图的光子角频率ω 以及右图的光子频率f都与光子的能量成正比，都代表光子的能量，光子的能量公式为E= ?ω=hf=hc/λ，波长越短，光子能量越高，其中约化普朗克常数?、普朗克常数h、光速c都是常数，角频率ω=2πf，光子的波长λ=c/f。

一、激光器的SHG/THG/FHG倍频、SFG和频、DFG差频产生

SFG和频产生原理：激光倍频属于SFG和频产生的一种，SFG和频产生原理为两个低能量光子合成一个高能量光子，总能量守恒以及动量守恒，

ω₁ + ω₂ =ω₃，1/λ₁ + 1/λ₂=1/λ₃

比如SHG二倍频产生1 / 1064nm+1 / 1064nm=2 / 1064nm→1 / 532nm，

THG三倍频产生 1 / 1064nm+1 / 532nm=3 / 1064nm→1 / 355nm，

FHG四倍频产生 1 / 532nm+1 / 532nm=4 / 1064nm→1 / 266nm

DFG差频产生原理： 一个高能量光子和一个低能量光子相互作用后产生另一个低能量光子 ，

ω₁ - ω₂ =ω₃，1/λ₁ - 1/λ₂=1/λ₃

比如：1 / 532nm - 1 / 810nm = 1 / 1550nm

倍频原理：二倍频产生 (SHG) 是和频中一个特别例子，如当两束入射光波长相同时 2 ω₁ = ω₃ ( 波长 λ ₁ = 2 λ ₃ )。

倍频晶体：目前常用的倍频非线性晶体有KTP晶体、KDP晶体、KD*P晶体、LiNbO3晶体、BBO晶体、LBO晶体、PPLN晶体等。

倍频方式：首先可根据倍频晶体放置的位置――激光谐振腔内或腔外，分为腔内倍频和腔外倍频两种。

由于倍频晶体的阈值很高，因此要获得高的倍频效率，基频波的功率密度要足够高。这样对连续或者高重复频率的激光器，一般均采用腔内倍频方式。如Photonics Industries采用LD泵浦的DS型Nd:YVO4绿光激光器，两个谐振腔镜对基频波（波长为1064nm）都镀高反膜，而对二次谐波（波长为532nm）有一定的耦合输出，这样腔内的基频波功率密度就非常高，就能获得*的二次谐波转换效率。当LD泵浦功率为80W时，可获得16W的100kHz 532nm绿光输出。

当基频波为调Q激光脉冲或锁模激光脉冲时，由于其峰值功率很高，比如几十兆瓦，此时采用腔外倍频，腔外倍频时激光只通过晶体一次，既可获得很高的二次谐波转换效率，且装置十分简单。如Thales Optronique的SAGA激光器采用KTP或BBO倍频晶体，对波长为1064nm，脉宽为10ns，脉冲能量为2.3J的基频波进行倍频，即可获得1.5J的532nm绿光输出，倍频效率可达到65%以上。

相位匹配方式：根据光的偏振态相位匹配可以分为两种类型，如在和频时，两束入射光的偏振方向是平衡时， 我们称之为类相位匹配，如是互相垂直则为第二类相位匹配。相位匹配在非线性效应的应用中起着十分重要的作用，实现相位匹配的方法有角度匹配、温度匹配及准相位匹配三种。

角度匹配与温度匹配指在特定的角度和温度时非线性效率，四倍频晶体对温度要求非常高，比如JPSA的IX-210 LED激光划片系统采用的266nm DPSS激光器，其中532nm SHG晶体温度为64?C，266nm FHG晶体温度为170?C，并且将FHG晶体分为25个工作点，通过定期换点能够延长使用寿命。

准相位匹配（Quasi-phase-matching）相比通常的完美相位匹配（温度匹配，角度匹配），能更容易利用较大的非线性系数，比如周期性极化铌酸锂（Periodically Poled Lithium Niobate）PPLN晶体可用于倍频、差频、和频及光学参量振荡和光学参量放大等。

二、激光器的OPA光学参量放大、OPO光学参量振荡及THz太赫兹产生

OPG光学参量产生原理：OPA光学参量放大、OPO光学参量振荡属于OPG光学参量产生的一种，OPG光学参量产生是和频的反过程，例如 355 nm → 532 nm + 1064 nm，它是将一个高能量光子 ( 泵浦光 λ_p ) 分裂为两个低能量光子 ( 信号光 λ_s 和闲频光 λ_i )，满足能量守恒

ω_p = ω_s + ω_i ，1/λ_p=1/λ_s+1/λ_i （λ_p < λ_s < λ_i）

OPA光学参量放大：只对信号光放大，没有谐振腔，泵浦光源峰值功率高，多为皮秒、飞秒激光。具体还有NOPA非共线光学参量放大、OPCPA光学啁啾脉冲参量放大。

OPO光学参量振荡：既对信号光放大，又有谐振腔，泵浦光源峰值功率较低，多为CW、纳秒、皮秒、飞秒激光。光学参量振荡器（OPO）被认为是获得传统激光器所达不到的光谱范围内的相干光的理想光源。一台OPO就可以在近紫外（near-UV）到中红外（mid-IR）的宽光谱范围中获得连续可调谐的输出，同时OPO还具有全固态设计、高效率和具有可观的输出功率等优点，而且从时间域上OPO可以连续（CW）输出或者输出皮秒、飞秒等超短脉冲。

THz太赫兹产生：THz光源为辐射波长在30μm~1mm之间的光源，即频率在0.1THz~10THz范围的电磁波，介于微波与红外之间，它可以穿透到器官组织的内部而不会像X射线那样造成损伤，也能够将有机组织与不断变化的水成份区分开来，能够穿透非金属材料，从而为安检、医学成像提供新的手段，在物体成像、医疗诊断、环境检测、通讯等方面具有广阔的应用前景。太赫兹产生有几种方法：固体激光器+OPO光学参量振荡、半导体激光器+DFG差频、CO2泵浦的FIR远红外气体激光器、飞秒激光器+光电导开关、飞秒激光器+光整流、半导体量子级联激光器等。

上面是的太赫兹产生原理图，这一THz光源采用非共线相位匹配的OPO光参量产生技术研制而成，能够产生1W的峰值功率和10μW的平均功率。

1 / 1.064μm=1 / λs+1 / λi

当λs=1.075μm时，λi=100μm即3THz；当调节λs=1.069μm时，λi=250μm即1.2THz；后可得到1.2THz~3THz范围内可调谐的纳秒脉冲的太赫兹激光。