非线性晶体
什么是非线性晶体？
非线性晶体是一种特种材料，可通过与光发生相互作用来改变光的频率（颜色）、相位、偏振和其他特性。这些影响的大小取决于输入光的强度。这与传统光学材料不同——在传统光学材料中，光与材料的相互作用不会随着光的强度而变化。
非线性晶体是一种特种材料，实现了以传统光学材料无法做到的方式操纵光，在光学领域发挥着至关重要的作用。这种晶体不同于线性晶体之处在于，允许光的频率、相位和偏振等特性随着穿过的光的强度而变化。
非线性晶体是各种先进光学技术和应用的基础—— 从激光变频技术到光通信系统。
要详细讨论非线性晶体，需要运用高等数学知识。本概览只是介绍非线性晶体的基本原理和主要应用，并重点讲述最常用的非线性晶体材料，其中不涉及数学专业知识。
什么是非线性光学效应？
材料（无论是固体、液体还是气体材料）与光的相互作用大多数都是线性的。这意味着，材料的光效应的大小不会随着光强度而变化。因此，折射、反射、传输、吸收和衍射等光与材料的相互作用通常与光强度无关。
例如，基于折射原理的透镜焦距不会随着光亮度的增加而变化。镜子反射光的角度不会随着光强度而变化。
非线性光学效应则恰恰相反。在非线性光学效应中，光的强度会影响材料与光发生相互作用的方式。这个过程有时是不必要的，但也可以用来产生在线性条件下无法实现的结果。
最有用的非线性效应是会改变光的频率以及放大或改变光的相位和/或偏振的效应。产生明显非线性效应所需的光强度较高。因此，对于大多数普通光源，这种效应几乎可以忽略不计。但激光很容易就能达到产生非线性效应所需的强度，因此非线性效应在激光中比较常见。值得了解一下这些现象分别是怎样的。
倍频
几乎所有高功率工业固态激光器和光纤激光器都会发出波长约为 1 µm 的近红外光。这在许多使用较短波长的材料加工应用中是一项优势。这可能有助于更好地匹配需要加工的材料的吸收率，尤其是金属这种在红外光中通常具有高反射率的材料。此外，较短的波长可聚焦成更小的点，从而能够产生更小的零件。
变频或倍频是一种广泛使用的方法，用于从各种红外激光器获得较短波长输出。例如，Nd:YVO₄ 激光器的 1064 nm 输出可通过实现倍频达到 532 nm（绿光），或通过实现三倍频达到 355 nm（紫外光）。Coherent 高意的 AVIA LX、AVIA NX 和 MATRIX 355 激光器就是这样提供这些输出波长的。固态激光器还能实现四倍频，达到 266 nm（深紫外光）。Coherent HyperRapid NXT 和 Azure NX 就是这样的激光器。
其中的工作原理是什么呢？ 当非线性晶体将穿过的光束转换为正好是原始频率的两倍（或波长的一半）时，就会出现倍频效应（也称为二次谐波生成 (SHG)）。之所以会出现这种效应，是因为晶体的非线性性质允许光束中的光子（光粒子）成对地组合，变成能量翻倍的单光子。因此，光的颜色会变成与翻倍后频率相应的颜色。
三倍频将这个概念再推进一步，将倍频效应与另一个过程相结合，使光的原始频率翻三倍。这通常分两个阶段实现：首先，使光的频率翻倍，将倍频光与原来或其他非线性晶体中的更多原始光混合。这种相互作用会产生能量（频率）是原始光三倍的光。
要使这个过程成功，必须满足几个条件。首先，材料本身当然必须具有必要的能力来支持与入射光的非线性相互作用。其次，输入激光必须具有足够的强度；强度越高，非线性效应的作用更高效。
实现倍频的另一个重要条件是“相位匹配”。之所以需要满足这个条件，是因为非线性晶体内的色散会导致较长波长的输入光和产生的谐波光以不同的速度传播。这种速度失配可能会导致这两种光之间出现相消干涉，继而导致谐波生成效率下降。
相位匹配可克服色散带来的挑战。通过相位匹配，基波和谐波的相位彼此对齐，因此能够以相同的有效速度传播，在整个晶体内保持相长干涉。这种对齐可确保从基波到谐波的能量转换达到最高效率。
对于某些非线性晶体，进行温度控制也会有帮助。这是因为温度会影响晶体的折射率，而折射率又会影响相位匹配情况。因此，Coherent 高意等许多制造商都提供内置了谐波晶体炉的产品。
和频产生和差频产生
和频产生 (SFG) 和差频产生 (DFG) 是另外两个非线性过程，可改变激光的波长。在这些过程中，两个输入光波组合成频率不同于原始光束的第三个光波。SFG 过程的关键工作原理是，新光波的频率是两个输入频率之和。相反，在 DFG 过程中，新光波的频率是两个输入频率之差。
光参量放大器 (OPA) 是 DFG 的一个具体实施例，用于放大激光束，无需介质吸收然后重新发射信号。在 OPA 中，两束光束被引入非线性晶体中。其中一束光束是高频高强度的“泵浦光束”，另一束光束是低频低功率的“信号光束”（这是要放大的光束）。非线性晶体的特性允许能量从泵浦光束传输到信号光束。这个过程称为参量下转换。
SFG、DFG 和 OPA 以及这三个过程中各自的输入和输出光频率之间的关系示意图。
与传统放大器相比，OPA 具有许多优势。这些优势包括：噪声低，通常具有更好的光束质量，具有脉冲整形能力，能够处理非常高的峰值功率，以及能够处理超短脉冲。
除了放大的信号光束，OPA 还输出“闲频光束”。这是 DFG 产生的光束，因此其频率是泵浦光束频率和信号光束频率之差。
这种关系还带来了波长可调谐性。换句话说，可以放大信号光束，还可以选择信号光束的频率。闲频光束的频率随后也必须发生变化，以确保满足 DFG 的条件。
这样可打造出具有极大调谐范围的激光系统，为各种应用提供支持。例如，Coherent OPerA Solo 可在 240 nm 至 20 µm 的巨大光谱范围内进行调谐，具体取决于配置方式。
Coherent OPerA Solo 等 OPA 具有巨大的调谐范围。
克尔效应
克尔效应是一种非线性光学现象，是指材料的折射率随着穿过的光的强度而变化。光越强烈，这种变化越大。克尔效应使得可以根据光的强度实时对光进行调制，被用于众多应用中。
例如，克尔效应被用于在电信领域至关重要的光交换机和调制器中。通过改变光的强度（从而改变材料折射率），光交换机可以控制光纤网络中光的方向，无需将信息转换为电信号就能实现高速信息路由。
克尔效应的另一个用途是激光脉冲整形。具体来说，通过使用克尔效应来引起相位调制，就可以修改脉冲的时间特性和光谱特性。这对于需要精确控制激光脉冲持续时间和频率的应用至关重要。这方面的应用涵盖从某些类型的显微镜到材料加工。
克尔效应还有助于形成光孤子。光孤子是一种光脉冲，可在很长距离内保持形状不变，而且不会出现色散情况。这种特性意味着光孤子可以将信息传输很长距离，而且损耗或失真极低，这在长距离光纤通信中尤其有用。
重要的非线性晶体
目前使用的非线性晶体有许多种。每种非线性晶体往往都会受到特定应用（例如 SHG 或 OPA）的青睐，或者尤其适用于一些特定的工作条件。但一般来说，常用材料的显著特点包括非线性光学系数高、透明度范围大、良好的相位匹配能力以及各种实用特性（例如尺寸选择、功率处理能力、成本等）。下面是一些使用最广泛的材料：
三硼酸锂 (LBO)： LBO 以损伤阈值高和透明度范围大而著称，因此适合高功率倍频和 OPO 应用。这种材料可用于促成固态激光源和其他激光源在很大的波长范围内实现高效的 SHG。
硼酸钡 (BBO)： BBO 因为透明度范围大（从紫外光到近红外光）、损伤阈值高和非线性光学系数高而受到青睐。这种材料广泛用于需要覆盖很大波长范围的倍频、三倍频和其他非线性光学过程。
磷酸氧钛钾 (KTP)： KTP 通常用于实现固态激光器（波长为 1064 nm）的倍频，以产生波长为 532 nm 的绿光。这种材料具有良好的非线性光学特性和较高的损伤阈值，非常适合 OPO 应用。KTP 还因为相位匹配灵活性而受到重视。此外，KTP 支持周期极化。这意味着这种材料的电极化方向可以定期更迭。周期极化可实现光参量调制 (OPM) 和更高效的非线性相互作用。
磷酸二氢钾 (KDP) 和磷酸二氘钾 (KD*P)： 这些晶体因为非线性光学系数高和透明度范围大而被广泛使用，尤其是用于实现高功率激光的倍频和调制。而且，这些晶体容易生长成较大尺寸，因此还被用于需要大口径晶体的应用。
铌酸锂 (LiNbO₃)： 铌酸锂以强烈的光电效应而著称，被广泛用于调制器中以及用于实现近红外光的倍频。这种材料具有很大的透明度范围，而且能够处理高功率，但非线性光学系数较低，因此需要高强度激光才能实现高效的 SHG。LiNbO₃ 也支持周期极化。
硒化镓 (GaSe)：GaSe 以在中红外至太赫兹范围内具有强烈的非线性光学响应而著称，因此成为太赫兹波产生和中红外应用的首选晶体。
AgGaS₂ 和 AgGaSe₂：这些银硫化镓和银硒化镓晶体对于中红外应用很重要，具有扩展到中红外区域的很大透明度范围。这些晶体尤其广泛用于参量振荡器和混频，以帮助产生中红外输出。
详细了解 Coherent 高意晶体。