Wenn Licht ein Material durchdringt, interagiert es mit diesem auf atomarer und molekularer Ebene. Man kann sich diese Atome oder Moleküle als Anordnungen von Dipolen vorstellen. Das elektrische Feld des einfallenden Lichts versetzt diese Dipole in Schwingung, ähnlich wie Federn, während sich das Licht durch das Material ausbreitet.
In den meisten Fällen bleibt das Licht unbeeinflusst und behält beim Austritt aus dem Medium ( µm . Es ist jedoch möglich, dass das Licht die Dipole so anregt, dass sie nichtlinear schwingen und das reemittierte Licht zusätzliche Frequenzen enthält, ähnlich den Harmonischen einer Feder. Manche Materialien neigen eher zu nichtlinearen Reaktionen zweiter Ordnung (χ<sup> (2)</sup>) , andere eher zu Reaktionen dritter Ordnung (χ<sup> (3)</sup>) . Die Art der nichtlinearen Reaktion hängt ausschließlich von der Materialstruktur ab.
nichtlineare Frequenzumwandlung zweiter Ordnung
Nichtlineare Prozesse zweiter Ordnung beinhalten die Mischung dreier elektromagnetischer Wellen, wobei die Stärke der nichtlinearen Reaktion des Kristalls durch den Koeffizienten χ<sup> (2) . Dies kann zu folgenden Wechselwirkungen führen:
- Differenzfrequenzerzeugung (DFG)
- Frequenzverdopplung (SHG)
- S µm Frequenzerzeugung (SFG)
Die Frequenzverdopplung (auch Zweite-Harmonische-Erzeugung genannt) ist die gebräuchlichste Anwendung, die die χ<sup> (2) </sup>-Eigenschaften eines nichtlinearen Kristalls nutzt. Bei der Frequenzverdopplung werden zwei Eingangsphotonen p µm p mit der gleichen Wellenlänge λ<sub> p</sub> durch einen nichtlinearen Prozess kombiniert, um ein drittes Photon bei λ <sub>SHG </sub> zu erzeugen.
Oder, bezogen auf die Häufigkeit,
Ähnlich wie bei der SHG µm (SFG) zwei Eingangsphotonen bei λp und λs kombiniert, um ein Ausgangsphoton bei λSFG , wobei
Oder, bezogen auf die Häufigkeit,
Alternativ dazu, bei der Differenzfrequenzerzeugung (DFG), wenn zwei Eingangsphotonen bei λp und λs auf den Kristall treffen, regt das Vorhandensein des niederfrequenten Signalphotons λs das p µm p-Photon λp zur Emission eines Signalphotons λ s und eines Idler-Photons bei λ i an , wobei
Oder, bezogen auf die Häufigkeit,
Bei diesem Prozess verlassen zwei Signalphotonen und ein Idlerphoton den Kristall, wodurch ein verstärktes Signalfeld entsteht. Dies wird als optische parametrische Verstärkung bezeichnet. Durch die Platzierung des nichtlinearen Kristalls in einem optischen Resonator, auch optischer parametrischer Oszillator (OPO) genannt, lässt sich die Effizienz zudem deutlich steigern.
Phasenanpassung
Bei all diesen Prozessen bleibt die Photonenenergie erhalten; damit jedoch nichtlineare Frequenzumwandlungswechselwirkungen zweiter Ordnung auftreten können, muss auch das Moment µm erhalten bleiben. Dies wird auch als Phasenanpassung bezeichnet.
Phasenanpassung bezeichnet die Festlegung der relativen Phase zwischen zwei oder mehr Lichtfrequenzen während ihrer Ausbreitung durch einen Kristall, wie beispielsweise bei Frequenzverdopplung, µm und Differenzfrequenzerzeugung. Der Brechungsindex ist frequenzabhängig. Daher ändert sich die Phasenbeziehung zwischen zwei Photonen unterschiedlicher Frequenzen während ihrer Ausbreitung durch das Material, sofern der Kristall nicht für diese Frequenzen phasenangepasst ist. Für eine effiziente nichtlineare Frequenzumwandlung der Eingangsphotonen ist es notwendig, die Phasenbeziehung zwischen den einfallenden und den erzeugten Photonen im gesamten Kristall aufrechtzuerhalten. Andernfalls bewegen sich die erzeugten Photonen sinusförmig in und aus der Phase zueinander, was die Wellenlänge (n µm ) der aus dem Kristall austretenden Photonen begrenzt. Dies ist in der Abbildung unten dargestellt. Traditionelle Phasenanpassung erfordert, dass sich das Licht in einer Richtung durch den Kristall ausbreitet, in der die natürliche Doppelbrechung des Kristalls mit dem Brechungsindex des erzeugten Lichts übereinstimmt. Obwohl diese Technik eine perfekte Phasenanpassung ermöglicht, ist sie auf einen kleinen Wellenlängenbereich in den Materialien beschränkt, die phasenangepasst werden können.
PPLN ist ein speziell entwickeltes, quasi-phasenangepasstes Material. Der Begriff „speziell“ bezieht sich darauf, dass die Orientierung des µm -Kristalls periodisch invertiert (gepolt) wird. Durch die Invertierung der Kristallorientierung an jedem Maximum der sinusförmigen Photonenerzeugung wird verhindert, dass die Photonen phasenverschoben werden. Dadurch erhöht sich die Anzahl der erzeugten Photonen (n µm ) während der Ausbreitung des Lichts durch das PPLN, was zu einer hohen Umwandlungseffizienz von Eingangs- zu erzeugten Photonen führt (siehe Abbildung oben).
Die Periode, in der der Kristall invertiert werden muss (Polungsperiode), hängt von den interagierenden Wellenlängen und der Temperatur des PPLN ab. Beispielsweise erzeugt ein PPLN-Kristall mit einer Polungsperiode von 6,6 μm bei einer Kristalltemperatur von 100 °C effizient frequenzverdoppelte Photonen aus 1060-nm-Photonen. Durch Erhöhung der Kristalltemperatur auf 200 °C erzeugt derselbe PPLN-Kristall effizient frequenzverdoppelte Photonen aus Photonen mit einer Wellenlänge von 1068,6 nm. Die Änderung der Kristalltemperatur verändert somit die Phasenanpassungsbedingungen und ermöglicht eine gewisse Abstimmung der Wellenlängenwechselwirkung.
