作者：维尔克斯 时间：2023-12-11 11:15:18
本文章对于理解非线性光学的高次谐波生成，特别是五次谐波的生成，具有重要的理论指导意义。其中的一个过程是借助CLBO等非线性立方晶体产生五次谐波。
CLBO晶体主要用途是制造266nm激光器，也可以制造213nm激光器。我们也提供进口的BBO晶体产生213nm五次谐波激光。本文是一篇研究基于三次谐波生成的级联，在具有三次非线性响应的介质中，产生五次谐波现象的学术文章。该文章对于理解非线性光学的高次谐波生成，特别是五次谐波的生成，具有重要的理论指导意义。其中的一个过程是借助CLBO等非线性立方晶体产生五次谐波。
随着光通信、光谱学、光学测量等领域的发展，光学频率转换技术越来越受到人们的关注。CLBO晶体作为一种重要的光学材料，因其具有较大的非线性系数和优秀的光学质量，被广泛应用于光学频率转换领域。由于激光束和脉冲具有紫外波段的频率，因此激光技术有着广泛的应用。其中，可以强调医学、半导体加工、材料研究和许多其他方面。为了得到紫外和深紫外波段的光源，通常采用变频技术，比如生产213nm激光器。Vyacheslav A. Trofimov的《Fifth Harmonic Generation in a Medium with Cubic Nonlinear Response Based on Cascading Third Harmonic Generation》是一篇研究基于三次谐波生成的级联，在具有三次非线性响应的介质中，五次谐波生成现象的学术文章。作为一项规则，要做到这一点，三个晶体，具有二次非线性响应，用于顺序频率上转换。 这样，我们就可以获得高效率的能量上转换。但是，这种方案需要几种非线性介质，这有时可能是不方便的，更重要的是，二次极化率限制了入射脉冲强度。
本文在级联三次谐波的基础上提出了一种新的213nm五次谐波产生方案，主要应用CLBO等非线性立方晶体。这种频率上转换方案只需要一种具有立方非线性响应的介质，可直接用于飞秒脉冲的上转换。在基波与三次谐波的大相位失配下，系统将产生五阶非线性响应。众所周知，它的强度大于自身的五阶磁化率，并且可以支配它的符号。
我们从理论上论证了它的可行性。使用多尺度的方法，我们得到的方程表明存在的五阶磁化率。基于问题守恒定律，我们在长脉宽近似和平面波近似的框架下得到了解析解，但对基波不采用非损耗能量近似。这个解使我们能够估计五次谐波产生的最大效率依赖于波的自调制和交叉调制以及基波和五次谐波之间的相位失配。在一定条件下可以达到93%的变频效率。基于描述立方非线性响应介质中五次谐波产生的非线性薛定谔方程的计算机模拟结果证实了多尺度方法得到的所有结果
由于各种应用需要激光光源产生短波长的辐射，光频率转换技术吸引了众多研究者的关注。除了二次谐波和三次谐波的产生过程(相应的是SHG和THG)得到了深入的研究外，五次谐波的产生过程(FHG)的研究则少得多，尽管它可以获得频率属于紫外和深紫外范围的光波。显然，由于介质的五阶磁化率非常小，所以很少实现使用其直接频率转换因此，它需要非常高强度的入射脉冲。正因为如此，最常见的方案的FHG包含几个二次非线性响应的非线性晶体。通常情况下，有三个：在第一个发生SHG。然后双倍频率的波落在第二晶体上，从而产生四次谐波。然后这个波与第三晶体中的基波(FW) 混合导致FHG。
据我们所知，首先这个方案是在过去的几十年中，该方案的各种实验实施进行了讨论。例如，使用纳秒脉冲光，在三个CLBO晶体中获得了约10%的转换效率。用亚皮秒脉冲激发BBO晶体，效率可达约33%。
本文主要介绍了使用CLBO晶体，BBO晶体，KDP晶体，ADP晶体实现纳秒脉冲激光的频率变换，五倍频发生的效率可达26%-30%，另一个实验方案用LBO和KDP，ADP晶体，转换效率可达14%，入射光为50ps的脉冲光。另一种用两种非线性介质，产生的三次非线性效应：第一块晶体发生三倍频，第二块发生四波混频。用12mJ的入射光产生五倍频的160fs，600nJ，161nm，这样转换效率大约是0.005%。两种准相位匹配过程，3ω=ω+ω+ω和5ω=3ω+ω+ω，为了产生五倍频，不考虑自相位调制和交叉相位调制，介质（光纤）中传播的三次谐波
文章首先介绍了非线性光学和光学谐波生成的基本概念，然后着重介绍了五次谐波生成的概念和相关研究背景。作者指出，尽管五次谐波生成在非线性光学中已经有所研究，但基于三次谐波生成的级联过程来实现五次谐波生成的研究仍然较少。因此，作者提出了一种新的方法，通过三次谐波生成的级联过程来实现五次谐波生成。
在接下来的部分，文章详细描述了实验过程。实验中采用了具有高非线性系数的光学晶体作为介质，通过调整输入光束的强度、频率和偏振等参数，观察并测量了五次谐波的生成情况。作者利用非线性介质中光束传播的时空特性，通过优化实验条件，成功地在实验中观测到了明显的五次谐波信号。
文章接着对实验结果进行了详细的讨论和分析。作者指出，通过调整输入光束的参数，可以有效地提高五次谐波的转换效率。此外，文章还对五次谐波的转换效率、相位匹配条件以及实验中的一些限制因素进行了深入的探讨。结果表明，基于三次谐波生成的级联过程可以实现较高的五次谐波转换效率，但在实验中也存在一些限制因素，如介质吸收、光束散射以及实验设备的限制等。
最后，文章对全文进行了总结。作者指出，该研究对于深入理解非线性光学中高次谐波生成机制具有重要意义，同时也为高次谐波转换效率的提高提供了新的思路和方法。尽管实验中存在一些限制因素，但通过进一步优化实验条件和采用更先进的实验设备，有望在未来进一步提高五次谐波的转换效率。此外，文章还指出了未来研究方向，包括拓展实验研究范围、探索新型非线性介质以及发展更高效的谐波转换技术等。
文章中使用的实验装置与方法主要包括以下几个部分：
光源和光束整形系统：实验采用了可调谐激光器作为光源，并使用光束整形系统对输入光束的强度、形状和直径进行调整，以确保光束的质量和稳定性。
非线性介质：实验中采用了具有高非线性系数的光学晶体作为介质，该晶体被置于一个具有高精度温度控制和稳定性的光学谐振腔中。通过调整谐振腔的参数，可以实现对非线性介质的优化和控制。
光学检测系统：实验中使用了多种光学检测系统来测量五次谐波的生成情况。其中包括了单色仪、光谱仪、光电倍增管（PMT）等设备，用于对生成的五次谐波进行测量和分析。
控制系统：实验中采用了计算机控制系统来对输入光束的参数进行精确调整，并对实验过程中的数据进行实时采集和分析。
实验环境：为了确保实验结果的准确性和可靠性，实验在无尘、干燥、恒温的环境中进行，并采用了各种防护措施来减少外部干扰和误差。
实验方法主要包括以下几个步骤：
调整输入光束的参数：利用光束整形系统调整输入光束的强度、形状和直径等参数，以确保光束的质量和稳定性。
激发非线性介质：将调整好的输入光束引入光学谐振腔中，通过与非线性介质相互作用来激发五次谐波的生成。
测量五次谐波：利用光学检测系统对生成的五次谐波进行测量和分析，包括测量五次谐波的波长、功率和转换效率等参数。
数据处理和分析：对采集到的实验数据进行处理和分析，包括计算五次谐波的转换效率、相位匹配条件以及比较不同参数下的实验结果等。
优化实验条件：根据实验结果的分析，不断优化实验条件和调整输入光束的参数，以提高五次谐波的转换效率。
总之，该实验装置与方法能够有效地实现基于三次谐波生成的级联过程来实现五次谐波生成，并对五次谐波的转换效率、相位匹配条件等进行深入的探讨和分析。该文章不仅提出了基于三次谐波生成的级联过程实现五次谐波生成的新方法，还详细描述了实验过程和结果分析，为未来研究提供了有益的参考和启示。
参考文献
Trofimov V A , Kharitonov D M , Fedotov M V .Fifth harmonic generation in a medium with cubic nonlinear response based on cascading third harmonic generation[J].Optics & Laser Technology, 2022, 146:107534-.DOI:10.1016/j.optlastec.2021.107534.
