在激光器中利用非線性晶體(ti) ，就可以產(chan) 生SHG/THG/FHG倍頻、OPO光學參量振蕩、OPA光學參量放大、THz太赫茲(zi) 等激光，它們(men) 的產(chan) 生原理如上兩(liang) 圖所示，就是滿足能量守恒原理，其中SHG二倍頻產(chan) 生是SFG和頻產(chan) 生的一個(ge) 特例，DFG為(wei) 差頻產(chan) 生，OPA光學參量放大與(yu) OPO光學參量振蕩是OPG光學參量產(chan) 生的兩(liang) 個(ge) 具體(ti) 例子。
 
左圖的光子角頻率ω 以及右圖的光子頻率f都與(yu) 光子的能量成正比，都代表光子的能量，光子的能量公式為(wei) E= ?ω=hf=hc/λ，波長越短，光子能量越高，其中約化普朗克常數?、普朗克常數h、光速c都是常數，角頻率ω=2πf，光子的波長λ=c/f。
 
一、激光器的SHG/THG/FHG倍頻、SFG和頻、DFG差頻產(chan) 生
 

SFG和頻產(chan) 生原理：激光倍頻屬於(yu) SFG和頻產(chan) 生的一種，SFG和頻產(chan) 生原理為(wei) 兩(liang) 個(ge) 低能量光子合成一個(ge) 高能量光子，總能量守恒以及動量守恒，
 
ω1 + ω2 =ω3，1/λ1 + 1/λ2=1/λ3
 
比如SHG二倍頻產(chan) 生1 / 1064nm+1 / 1064nm=2 / 1064nm→1 / 532nm，
 
THG三倍頻產(chan) 生 1 / 1064nm+1 / 532nm=3 / 1064nm→1 / 355nm，
 
FHG四倍頻產(chan) 生 1 / 532nm+1 / 532nm=4 / 1064nm→1 / 266nm
 

DFG差頻產(chan) 生原理： 一個(ge) 高能量光子和一個(ge) 低能量光子相互作用後產(chan) 生另一個(ge) 低能量光子 ，
 
ω1 - ω2 =ω3，1/λ1 - 1/λ2=1/λ3
 
比如：1 / 532nm - 1 / 810nm = 1 / 1550nm
 
倍頻原理：二倍頻產(chan) 生 (SHG) 是和頻中一個(ge) 特別例子，如當兩(liang) 束入射光波長相同時 2 ω1 = ω3 ( 波長 λ 1 = 2 λ 3 )。
 
倍頻晶體(ti) ：目前常用的倍頻非線性晶體(ti) 有KTP晶體(ti) 、KDP晶體(ti) 、KD*P晶體(ti) 、LiNbO3晶體(ti) 、BBO晶體(ti) 、LBO晶體(ti) 、PPLN晶體(ti) 等。
 
倍頻方式：首先可根據倍頻晶體(ti) 放置的位置――激光諧振腔內(nei) 或腔外，分為(wei) 腔內(nei) 倍頻和腔外倍頻兩(liang) 種。
 
由於(yu) 倍頻晶體(ti) 的閾值很高，因此要獲得高的倍頻效率，基頻波的功率密度要足夠高。這樣對連續或者高重複頻率的激光器，一般均采用腔內(nei) 倍頻方式。如Photonics Industries采用LD泵浦的DS型Nd:YVO4綠光激光器，兩(liang) 個(ge) 諧振腔鏡對基頻波（波長為(wei) 1064nm）都鍍高反膜，而對二次諧波（波長為(wei) 532nm）有一定的耦合輸出，這樣腔內(nei) 的基頻波功率密度就非常高，就能獲得極高的二次諧波轉換效率。當LD泵浦功率為(wei) 80W時，可獲得16W的100kHz 532nm綠光輸出。
 
當基頻波為(wei) 調Q激光脈衝(chong) 或鎖模激光脈衝(chong) 時，由於(yu) 其峰值功率很高，比如幾十兆瓦，此時采用腔外倍頻，腔外倍頻時激光隻通過晶體(ti) 一次，既可獲得很高的二次諧波轉換效率，且裝置十分簡單。如Thales Optronique的SAGA激光器采用KTP或BBO倍頻晶體(ti) ，對波長為(wei) 1064nm，脈寬為(wei) 10ns，脈衝(chong) 能量為(wei) 2.3J的基頻波進行倍頻，即可獲得1.5J的532nm綠光輸出，倍頻效率可達到65%以上。
 
相位匹配方式：根據光的偏振態相位匹配可以分為(wei) 兩(liang) 種類型，如在和頻時，兩(liang) 束入射光的偏振方向是平衡時， 我們(men) 稱之為(wei) 第一類相位匹配，如是互相垂直則為(wei) 第二類相位匹配。相位匹配在非線性效應的應用中起著十分重要的作用，實現相位匹配的方法有角度匹配、溫度匹配及準相位匹配三種。
 
角度匹配與(yu) 溫度匹配指在特定的角度和溫度時非線性效率最高，四倍頻晶體(ti) 對溫度要求非常高，比如JPSA的IX-210 LED激光劃片係統采用的266nm DPSS激光器，其中532nm SHG晶體(ti) 溫度為(wei) 64?C，266nm FHG晶體(ti) 溫度為(wei) 170?C，並且將FHG晶體(ti) 分為(wei) 25個(ge) 工作點，通過定期換點能夠延長使用壽命。
 
準相位匹配（Quasi-phase-matching）相比通常的完美相位匹配（溫度匹配，角度匹配），能更容易利用較大的非線性係數，比如周期性極化铌酸鋰（Periodically Poled Lithium Niobate）PPLN晶體(ti) 可用於(yu) 倍頻、差頻、和頻及光學參量振蕩和光學參量放大等。
 
二、激光器的OPA光學參量放大、OPO光學參量振蕩及THz太赫茲(zi) 產(chan) 生
 

OPG光學參量產(chan) 生原理：OPA光學參量放大、OPO光學參量振蕩屬於(yu) OPG光學參量產(chan) 生的一種，OPG光學參量產(chan) 生是和頻的反過程，例如 355 nm → 532 nm + 1064 nm，它是將一個(ge) 高能量光子 ( 泵浦光 λp ) 分裂為(wei) 兩(liang) 個(ge) 低能量光子 ( 信號光 λs 和閑頻光 λi )，滿足能量守恒
 
ωp = ωs + ωi ，1/λp=1/λs+1/λi （λp < λs < λi）
 

OPA光學參量放大：隻對信號光放大，沒有諧振腔，泵浦光源峰值功率高，多為(wei) 皮秒、飛秒激光。具體(ti) 還有NOPA非共線光學參量放大、OPCPA光學啁啾脈衝(chong) 參量放大。
 
OPO光學參量振蕩：既對信號光放大，又有諧振腔，泵浦光源峰值功率較低，多為(wei) CW、納秒、皮秒、飛秒激光。光學參量振蕩器（OPO）被認為(wei) 是獲得傳(chuan) 統激光器所達不到的光譜範圍內(nei) 的相幹光的理想光源。一台OPO就可以在近紫外（near-UV）到中紅外（mid-IR）的寬光譜範圍中獲得連續可調諧的輸出，同時OPO還具有全固態設計、高效率和具有可觀的輸出功率等優(you) 點，而且從(cong) 時間域上OPO可以連續（CW）輸出或者輸出皮秒、飛秒等超短脈衝(chong) 。
 

THz太赫茲(zi) 產(chan) 生：THz光源為(wei) 輻射波長在30μm~1mm之間的光源，即頻率在0.1THz~10THz範圍的電磁波，介於(yu) 微波與(yu) 紅外之間，它可以穿透到器官組織的內(nei) 部而不會(hui) 像X射線那樣造成損傷(shang) ，也能夠將有機組織與(yu) 不斷變化的水成份區分開來，能夠穿透非金屬材料，從(cong) 而為(wei) 安檢、醫學成像提供新的手段，在物體(ti) 成像、醫療診斷、環境檢測、通訊等方麵具有廣闊的應用前景。太赫茲(zi) 產(chan) 生有幾種方法：固體(ti) 激光器+OPO光學參量振蕩、半導體(ti) 激光器+DFG差頻、CO2泵浦的FIR遠紅外氣體(ti) 激光器、飛秒激光器+光電導開關(guan) 、飛秒激光器+光整流、半導體(ti) 量子級聯激光器等。
 

上麵是英國M Squared公司的Firefly-THz的太赫茲(zi) 產(chan) 生原理圖，這一THz光源采用非共線相位匹配的OPO光參量產(chan) 生技術研製而成，能夠產(chan) 生1W的峰值功率和10μW的平均功率。
 
1 / 1.064μm=1 / λs+1 / λi
 
當λs=1.075μm時，λi=100μm即3THz；當調節λs=1.069μm時，λi=250μm即1.2THz；最後可得到1.2THz~3THz範圍內(nei) 可調諧的納秒脈衝(chong) 的太赫茲(zi) 激光。