Cuando la luz atraviesa un material, interactúa con él a nivel atómico y molecular. Podemos imaginar estos átomos o moléculas como conjuntos de dipolos. El campo eléctrico de la luz incidente impulsa estos dipolos, haciéndolos oscilar como resortes al atravesar el material.
En la mayoría de los casos, la luz no se verá afectada y mantendrá exactamente la misma frecuencia al salir del medio µm . Sin embargo, es posible que la luz fuerce estos dipolos hasta el punto de que oscilen con una respuesta no lineal, de modo que la luz reemitida contenga frecuencias adicionales, como los armónicos de un resorte. Algunos materiales son más propensos a presentar respuestas no lineales de segundo orden o χ (2) , mientras que otros pueden ser más susceptibles a respuestas de tercer orden o χ (3) . El tipo de respuesta no lineal depende completamente de la estructura del material.
Conversión de frecuencia no lineal de segundo orden
Los procesos no lineales de segundo orden implican la mezcla de tres ondas electromagnéticas, donde la magnitud de la respuesta no lineal del cristal se caracteriza por el coeficiente χ (2) . Esto puede dar lugar a las siguientes interacciones:
- Generación de frecuencia diferencial (DFG)
- Generación de segundo armónico (SHG)
- Generación de frecuencia de S µm (SFG)
La generación de segundo armónico (SHG), o duplicación de frecuencia, es la aplicación más común que aprovecha las propiedades (2) µm p con la misma longitud de onda λ p se combinan mediante un proceso no lineal para generar un tercer fotón en λ SHG, donde:
O, en términos de frecuencia,
Similar a SHG, la generación de frecuencia s µm (SFG) combina dos fotones de entrada en λ p y λ s para generar un fotón de salida en λ SFG , donde,
O, en términos de frecuencia,
Alternativamente, en la generación de frecuencia diferencial (DFG) cuando dos fotones de entrada en λp y λs inciden en el cristal, la presencia del fotón de señal de frecuencia más baja, λs, estimula al fotón p µm p, λp, para emitir un fotón de señal λ s y un fotón inactivo en λ i , donde,
O, en términos de frecuencia,
En este proceso, dos fotones de señal y un fotón inactivo salen del cristal, lo que genera un campo de señal amplificado. Esto se conoce como amplificación paramétrica óptica. Además, al colocar el cristal no lineal dentro de un resonador óptico, también conocido como oscilador paramétrico óptico (OPO), se puede mejorar significativamente la eficiencia.
Coincidencia de fases
En todos estos procesos, la energía fotónica se conserva; sin embargo, para que se produzca cualquiera de estas interacciones de conversión de frecuencia no lineal de segundo orden, también debe conservarse el momento µm . Esto también se conoce como ajuste de fase.
La igualación de fase se refiere a la fijación de la fase relativa entre dos o más frecuencias de luz a medida que se propagan a través del cristal, como la duplicación de frecuencia, s µm y la generación de frecuencia de diferencia. El índice de refracción depende de la frecuencia de la luz. Por lo tanto, la relación de fase entre dos fotones de diferentes frecuencias variará a medida que los fotones se propagan a través del material, a menos que el cristal esté igualado en fase para esas frecuencias. Es necesario que la relación de fase entre los fotones de entrada y los generados se mantenga en todo el cristal para una conversión de frecuencia no lineal eficiente de los fotones de entrada. De lo contrario, los fotones generados entrarán y saldrán en fase entre sí de forma sinusoidal, lo que limita el n µm de fotones generados que salen del cristal. Esto se muestra en la figura a continuación. La igualación de fase tradicional requiere que la luz se propague a través del cristal en una dirección donde la birrefringencia natural del cristal coincida con el índice de refracción de la luz generada. A pesar de proporcionar una igualación de fase perfecta, esta técnica está limitada a un pequeño rango de longitudes de onda en aquellos materiales que pueden ser igualados en fase.
PPLN es un material diseñado con cuasi-acoplamiento de fase. El término "diseñado" se refiere a que la orientación del cristal de niobato de litio de µm se invierte periódicamente (polariza). Al invertir la orientación del cristal en cada pico de la generación sinusoidal, se evita el desfase entre los fotones. Como resultado, el número de µm de fotones generados aumentará a medida que la luz se propaga a través del PPLN, lo que produce una alta eficiencia de conversión de la entrada a fotones generados (véase la figura anterior).
El período con el que se debe invertir el cristal (período de polarización) depende de las longitudes de onda interactuantes y de la temperatura del PPLN. Por ejemplo, un cristal PPLN con un período de polarización de 6,6 μm generará eficientemente fotones de doble frecuencia a partir de fotones de 1060 nm cuando la temperatura del cristal se mantiene a 100 °C. Al aumentar la temperatura del cristal a 200 °C, el mismo cristal PPLN generará eficientemente fotones de doble frecuencia a partir de fotones de longitud de onda de 1068,6 nm. Por lo tanto, al cambiar la temperatura del cristal se modifican las condiciones de coincidencia de fase, lo que permite ajustar la interacción de la longitud de onda.
