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Lexikon der Optik: Harmonischenerzeugung

Harmonischenerzeugung, ein Effekt der nichtlinearen Optik, der darin besteht, daß Strahlung einer Frequenz ν in einem nichtlinearen Kristall ohne Inversionszentrum wie z.B. KDP, LiNbO3, Banana (optische Kristalle) teilweise in Strahlung der doppelten Frequenz 2ν umgewandelt wird. Es findet somit eine Frequenzverdopplung statt. Maßgeblich für die H. ist die Suszeptibilität 2. Ordnung des Materials. Die H. ist ein Spezialfall der Summenfrequenzerzeugung. Die einfallende sog. Grundwelle erzeugt im nichtlinearen Medium eine nichtlineare Polarisation, die mit der Frequenz 2ν oszilliert und demzufolge eine Welle dieser Frequenz ausstrahlt. Eine effektive Umwandlung findet nur statt, wenn einerseits die Phasenanpassungsbedingung erfüllt ist und andererseits die Intensität der Grundwelle genügend hoch ist, weshalb man letztere häufig fokussiert.

Der Fokussierung sind jedoch durch optical damage Grenzen gesetzt. Außerdem verbietet die Phasenanpassungsbedingung eine zu starke Fokussierung. Ein hohes Umwandlungsverhältnis η wird nur mit Riesen- und Pikosekundenimpulsen erreicht. Es ergeben sich jedoch auch im kontinuierlichen Betrieb sehr hohe Umwandlungsverhältnisse, wenn die Frequenzumwandlung bereits innerhalb des Laserresonators (durch Einbringen des nichtlinearen Kristalls in den Resonator) vorgenommen wird.

Die H. besitzt große Bedeutung als ein Verfahren zur Erzeugung kurzwelliger kohärenter (laserartiger) Strahlung. Zu diesem Zweck können auch mehrere Frequenzverdopplungen nacheinander ausgeführt werden.

H. kann auch in Reflexion – entweder an der Oberfläche eines nichtlinearen Mediums oder an einer Grenzschicht, die sich zwischen zwei Medien mit Inversionssymmetrie befindet – beobachtet werden. Die nichtlineare Suszeptibilität 2. Ordnung verschwindet für Materialien mit Inversionssymmetrie, im allgemeinen jedoch nicht für die Grenzschicht, da diese kein Inversionszentrum besitzt. Die reflektierte Harmonische wird somit im Falle einer Grenzschicht nur in dieser erzeugt und liefert daher Information über sie. Im besonderen kann man auf diese Weise Schichten adsorbierter Moleküle untersuchen.

Außer einer Verdopplung der Frequenz wird auch eine Verdreifachung beobachtet. Man spricht dann von der Erzeugung der dritten Harmonischen, entsprechend bezeichnet man die eben geschilderte H. als Erzeugung der zweiten Harmonischen (engl. Second Harmonic Generation, abgekürzt SHG). Zur Frequenzverdreifachung werden Medien benötigt, die eine merkliche nichtlineare Suszeptibilität 3. Ordnung besitzen. Im besonderen eignen sich dafür Gase und Dämpfe, z.B. Na-Dampf. Man nutzt dabei aus, daß sich die erwähnte Suszeptibilität drastisch erhöht, wenn die eingestrahlte oder die erzeugte Frequenz einer atomaren Resonanzfrequenz sehr nahe kommt.

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