Генерация второй гармоники (ГВГ) Second Harmonic Generation (SHG) — нелинейно-оптический процесс, в котором фотоны с одинаковой частотой, взаимодействуя с нелинейным материалом, объединяются для формирования новых фотонов с удвоенной энергией, и, следовательно, с удвоенной частотой и длиной волны в половину меньшей начальной. Это частный случай нелинейного сложения частот излучения.
Механизм возникновения генерации второй гармоники
При падении электромагнитной волны небольшой амплитуды на диэлектрик суммарный дипольный момент единицы объёма (поляризованность диэлектрика), возникающий при этом, пропорционален амплитуде волны. В результате дипольный момент рождает вторичную волну той же частоты. При больших амплитудах суммарный дипольный момент является нелинейной функцией амплитуды падающей волны. То есть он оказывается зависящим не только от первой, но и от второй, третьей и последующих степеней амплитуды падающей волны. Это и приводит к порождению вторичных волн удвоенной, утроенной и т. д. частоты.
Генерации второй гармоники с точки зрения квантовой механики
С квантовой точки зрения нелинейный процесс преобразования частоты выглядит следующим образом. При генерации второй гармоники, можно считать, что два фотона исходной частоты ω одновременно поглощаются в среде, переводя систему на виртуальный уровень с энергией 2ℏω, после чего система релаксирует с этого уровня в основное состояние с излучением фотона с частотой 2ω.
Материалы, использующиеся для генерации второй гармоники
Кристаллическая решетка таких материалов не обладает центром инверсии. Так, например, вода, стекло, кристаллы с кубической симметрией не могут генерировать вторую гармонику в объёме. Здесь приводятся некоторые типы кристаллов, использующихся с определёнными типами лазеров для генерации второй гармоники:
Фундаментальная волна на 600—1500 нм: BiBO (BiB3O6)
Фундаментальная волна на 570-4000 нм: Иодат лития LiIO3.
Фундаментальная волна на 800—1100, часто 860 или 980 нм: Ниобат калия KNbO3
Фундаментальная волна на 410—2000 нм : BBO (β-BaB2O4)
Фундаментальная волна на 984 нм-3400 нм: KTP (KTiOPO4) or KTA,
Фундаментальная волна на 1 064 нм : Дигидроортофосфат калия KDP (KH2PO4), Триборат лития (LiB3O5), CsLiB6O10 и Борат бария BBO(β-BaB2O4).
Фундаментальная волна на 1 319 нм : KNbO3, BBO (β-BaB2O4), Дигидроортофосфат калия KDP (KH2PO4), LiIO3, LiNbO3, и Титанил-Фосфат Калия KTP (KTiOPO4).
Фундаментальная волна на ~1000-2000 нм : кристалы для обеспечения квази-фазового синхронизма, такие как, PPLN.
Примечательно, что нитевидные биологические белки с цилиндрической симметрией, такие как коллаген, тубулин или миозин, а также некоторые углеводы (такие как крахмал или целлюлоза) также являются довольно хорошими преобразователями во вторую гармонику (накачка в ближней инфракрасной области).
Где наблюдается генерации второй гармоники
В сегнетоэлектриках с большой поляризуемостью. Потенциальная яма для электрона там сильно несимметрична. Поэтому сегнетоэлектрик со спонтанной поляризацией много эффективнее преобразует частоту излучения, чем другие кристаллы. Также наблюдается в полимерах, содержащих в своём объёме молекулы с нелинейно-оптическими хромофорами — они также обладают большой поляризуемостью.