在激光器中利用非線性晶體，就可以產(chǎn)生SHG/THG/FHG倍頻、OPO光學(xué)參量振蕩、OPA光學(xué)參量放大、THz太赫茲等激光，它們的產(chǎn)生原理如上兩圖所示，就是滿足能量守恒原理，其中SHG二倍頻產(chǎn)生是SFG和頻產(chǎn)生的一個特例，DFG為差頻產(chǎn)生，OPA光學(xué)參量放大與OPO光學(xué)參量振蕩是OPG光學(xué)參量產(chǎn)生的兩個具體例子。
 
左圖的光子角頻率ω 以及右圖的光子頻率f都與光子的能量成正比，都代表光子的能量，光子的能量公式為E= ?ω=hf=hc/λ，波長越短，光子能量越高，其中約化普朗克常數(shù)?、普朗克常數(shù)h、光速c都是常數(shù)，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(chǎn)生
 

SFG和頻產(chǎn)生原理：激光倍頻屬于SFG和頻產(chǎn)生的一種，SFG和頻產(chǎn)生原理為兩個低能量光子合成一個高能量光子，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(chǎn)生1 / 1064nm+1 / 1064nm=2 / 1064nm→1 / 532nm，
 
THG三倍頻產(chǎn)生 1 / 1064nm+1 / 532nm=3 / 1064nm→1 / 355nm，
 
FHG四倍頻產(chǎn)生 1 / 532nm+1 / 532nm=4 / 1064nm→1 / 266nm
 

DFG差頻產(chǎn)生原理： 一個高能量光子和一個低能量光子相互作用后產(chǎn)生另一個低能量光子 ，
 
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(chǎn)生 (SHG) 是和頻中一個特別例子，如當兩束入射光波長相同時 2 ω1 = ω3 ( 波長 λ 1 = 2 λ 3 )。
 
倍頻晶體：目前常用的倍頻非線性晶體有KTP晶體、KDP晶體、KD*P晶體、LiNbO3晶體、BBO晶體、LBO晶體、PPLN晶體等。
 
倍頻方式：首先可根據(jù)倍頻晶體放置的位置――激光諧振腔內(nèi)或腔外，分為腔內(nèi)倍頻和腔外倍頻兩種。
 
由于倍頻晶體的閾值很高，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(xù)或者高重復(fù)頻率的激光器，一般均采用腔內(nèi)倍頻方式。如Photonics Industries采用LD泵浦的DS型Nd:YVO4綠光激光器，兩個諧振腔鏡對基頻波（波長為1064nm）都鍍高反膜，而對二次諧波（波長為532nm）有一定的耦合輸出，這樣腔內(nèi)的基頻波功率密度就非常高，就能獲得極高的二次諧波轉(zhuǎn)換效率。當LD泵浦功率為80W時，可獲得16W的100kHz 532nm綠光輸出。
 
當基頻波為調(diào)Q激光脈沖或鎖模激光脈沖時，由于其峰值功率很高，比如幾十兆瓦，此時采用腔外倍頻，腔外倍頻時激光只通過晶體一次，既可獲得很高的二次諧波轉(zhuǎn)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，對波長為1064nm，脈寬為10ns，脈沖能量為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(jù)光的偏振態(tài)相位匹配可以分為兩種類型，如在和頻時，兩束入射光的偏振方向是平衡時， 我們稱之為第一類相位匹配，如是互相垂直則為第二類相位匹配。相位匹配在非線性效應(yīng)的應(yīng)用中起著十分重要的作用，實現(xiàn)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，四倍頻晶體對溫度要求非常高，比如JPSA的IX-210 LED激光劃片系統(tǒng)采用的266nm DPSS激光器，其中532nm SHG晶體溫度為64?C，266nm FHG晶體溫度為170?C，并且將FHG晶體分為25個工作點，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系數(shù)，比如周期性極化鈮酸鋰（Periodically Poled Lithium Niobate）PPLN晶體可用于倍頻、差頻、和頻及光學(xué)參量振蕩和光學(xué)參量放大等。
 
二、激光器的OPA光學(xué)參量放大、OPO光學(xué)參量振蕩及THz太赫茲產(chǎn)生
 

OPG光學(xué)參量產(chǎn)生原理：OPA光學(xué)參量放大、OPO光學(xué)參量振蕩屬于OPG光學(xué)參量產(chǎn)生的一種，OPG光學(xué)參量產(chǎn)生是和頻的反過程，例如 355 nm → 532 nm + 1064 nm，它是將一個高能量光子 ( 泵浦光 λp ) 分裂為兩個低能量光子 ( 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(xué)參量放大：只對信號光放大，沒有諧振腔，泵浦光源峰值功率高，多為皮秒、飛秒激光。具體還有NOPA非共線光學(xué)參量放大、OPCPA光學(xué)啁啾脈沖參量放大。
 
OPO光學(xué)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CW、納秒、皮秒、飛秒激光。光學(xué)參量振蕩器（OPO）被認為是獲得傳統(tǒng)激光器所達不到的光譜范圍內(nèi)的相干光的理想光源。一臺OPO就可以在近紫外（near-UV）到中紅外（mid-IR）的寬光譜范圍中獲得連續(xù)可調(diào)諧的輸出，同時OPO還具有全固態(tài)設(shè)計、高效率和具有可觀的輸出功率等優(yōu)點，而且從時間域上OPO可以連續(xù)（CW）輸出或者輸出皮秒、飛秒等超短脈沖。
 

THz太赫茲產(chǎn)生：THz光源為輻射波長在30μm~1mm之間的光源，即頻率在0.1THz~10THz范圍的電磁波，介于微波與紅外之間，它可以穿透到器官組織的內(nèi)部而不會像X射線那樣造成損傷，也能夠?qū)⒂袡C組織與不斷變化的水成份區(qū)分開來，能夠穿透非金屬材料，從而為安檢、醫(yī)學(xué)成像提供新的手段，在物體成像、醫(yī)療診斷、環(huán)境檢測、通訊等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。太赫茲產(chǎn)生有幾種方法：固體激光器+OPO光學(xué)參量振蕩、半導(dǎo)體激光器+DFG差頻、CO2泵浦的FIR遠紅外氣體激光器、飛秒激光器+光電導(dǎo)開關(guān)、飛秒激光器+光整流、半導(dǎo)體量子級聯(lián)激光器等。
 

上面是英國M Squared公司的Firefly-THz的太赫茲產(chǎn)生原理圖，這一THz光源采用非共線相位匹配的OPO光參量產(chǎn)生技術(shù)研制而成，能夠產(chǎn)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(diào)節(jié)λs=1.069μm時，λi=250μm即1.2THz；最后可得到1.2THz~3THz范圍內(nèi)可調(diào)諧的納秒脈沖的太赫茲激光。