当光穿过材料时，它会在原子和分子水平上与材料相互作用。您可以将这些原子或分子视为偶极子阵列。入射光产生的电场驱动这些偶极子，使它们在穿过材料时像弹簧一样振荡。
µm时，光将不受影响，并且具有完全相同的频率。但是，光线有可能将这些偶极子迫使它们以非线性响应振荡，从而使重新发射的光包含额外的频率，例如弹簧上的谐波。有些材料更容易表现出二阶非线性或χ （2）响应，而另一些材料可能更容易受到三阶或χ （3）响应的影响。非线性响应的类型完全取决于材料的结构。
二阶非线性变频
二阶非线性过程涉及三个电磁波的混合，其中晶体的非线性响应的幅度由 χ (2)系数表征。这可能会产生以下相互作用：
- 差频生成 (DFG)
- 二次谐波产生 (SHG)
- S µm频率产生（SFG）
第二次谐波生成（SHG）或频率加倍，是利用非线性晶体的 （2）通过非线性过程组合具有相同波长λp的两个输入P µM P光子，以在µm，其中，
或者，就频率而言，
与SHG相似，S µmλp和λs处结合了两个输入光子，λSFG处生成输出光子，其中，
或者，就频率而言，
或者，在差异频率产生（DFG）中，当两个输入光子和λs处的两个输入光子入射在晶体上时，较低频率信号光子的存在，λs，刺激P µm P光子P光子λp，以发射信号光子λs和λi的iDler光子，
或者，就频率而言，
在此过程中，两个信号光子和一个闲置光子离开晶体，从而产生放大的信号场。这称为光学参量放大。此外，通过将非线性晶体放置在光学谐振器（也称为光学参量振荡器（OPO））内，可以显着提高效率。
相位匹配
在所有这些过程中，光子能量是保守的。但是，为了使其二阶非线性频率转换相互作用发生，也必须保留矩µm 。这也称为相匹配。
相位匹配是指固定两个或多个光频率之间的相对相，它们通过晶体传播，例如频率加倍，s µm和差异频率产生。折射率取决于光的频率。因此，除非在这些频率的晶体相匹配，否则不同频率的两个光子之间的相位关系会随着光子传播而变化。必须在整个晶体中保持输入和生成的光子之间的相位关系，以使输入光子的有效非线性频率转换。如果不是这种情况，那么生成的光子将以正弦的方式彼此移动和外向相位，从而限制了退出晶体产生的光子的N µm BER。这在下图中显示。传统的相位匹配要求光通过晶体沿晶体传播，使晶体的自然双折射与生成光的折射率相匹配。尽管提供了完美的相位匹配，但该技术仅限于可以相匹配的材料中的一小部分波长。
PPLN是一种经过工程的准阶段匹配材料。 “工程”一词是指在周期性地倒（lithi µm niobate晶体）的方向（螺旋）。通过颠倒正弦生成的每个峰的晶体取向，可以避免彼此脱落的光子。结果，随着光通过PPLN传播，生成的光子的N µm BER将生长，从而产生了高转化效率到产生的光子（请参见上图）。
晶体需要反转的周期（极化周期）取决于相互作用的波长和 PPLN 的温度。例如，当晶体温度保持在 100°C 时，极化周期为 6.6μm 的 PPLN 晶体将有效地从 1060nm 光子产生倍频光子。通过将晶体的温度提高到 200°C，同一 PPLN 晶体将有效地从 1068.6 nm 波长光子产生倍频光子。因此，改变晶体的温度会改变相位匹配条件，从而允许对波长相互作用进行一些调整。
