定义
使用光学非线性将输入光转换为其他频率的光。
非线性频率转换是指利用光学非线性将某些输入光的部分光功率转换为不同波长区域的输出光。 这通常是具有固定波长或有时可调波长的准单色光；在某些情况下，会产生宽带光。 在几乎所有情况下，输入光都以具有大量光学强度的激光束的形式提供；只有在这样的条件下，非线性变频过程才能高效。 然后，输出通常也以类似激光的光束的形式获得，即具有高空间相干性。
并非所有感兴趣的波长区域都可以用激光直接进入。 因此，例如，通过非线性转换来自一个或多个激光器的近红外光来产生可见光或紫外线是很常见的。 此外，中红外激光源通常是基于近红外激光结合一些非线性变频装置来实现的。
非线性转换过程的示例包括：
- 倍频以及晶体中频率的和差频率生成，具有χ(2)非线性
- 参数振荡和放大（也适用于非线性晶体材料)
- 光学整流，用于从光学皮秒或飞秒脉冲生成太赫兹脉冲
- 块状晶体或光纤中的拉曼转换，利用延迟χ(3)非线性响应（→拉曼激光器，拉曼放大器)
- 超连续体生成，例如在光子晶体光纤中，不同光学非线性的组合同时有助于生成各种新频率分量
- 气体中产生高谐波，在大约 10 量级的极高光学强度下发生14宽/厘米2或更高
许多但不是所有这些过程只有在相位匹配和偏振光下才能有效。 激光辐射通常是线性偏振的，但某些器件（例如某些高功率光纤激光器和放大器）不太适合非线性频率转换，因为它们不以稳定的线性偏振状态发射，或者因为它们没有足够的空间或时间相干性。
高光强度下的高效转换
由于非线性频率转换只有在足够高的光学强度下才能有效，因此通常必须使用以下一种或几种方法来增加强度：
- 脉冲（例如锁模或Q开关）激光器的峰值功率可能远高于平均功率。 尽管如此，光带宽可能足够小，以实现有效的相位匹配。
- 对于单频激光器和锁模激光器，可以使用谐振增强腔（→谐振倍频）。 这通常需要使用某种自动反馈系统将激光频率观察谐振器。
- 非线性转换也可以在激光谐振器内部完成（→腔内倍频），利用更高的腔内功率。
- 另一种可能性是通过使用波导（例如由LiNbO制成）来增加相互作用长度3）或纤维（后者通常用于χ(3)仅进程）。 特别是有效模面积小的波导，即使在低光功率下也能实现高转换效率。
适用强度通常受到非线性材料的损伤阈值的限制。 在某些情况下，这种限制会阻止高效的频率转换。 一个例子是超短脉冲进入紫外光谱区域的倍频，其中大群速度失配限制了相互作用长度，而损伤阈值相对较低。
设计问题
非线性变频器件的设计可能涉及细微的问题。 对于基于参数非线性的器件，由于空间走失、增益引导、泵浦耗尽和反向转换，可能会产生光束质量影响。 这种效应可以用数值计算机模型来研究，该模型可以模拟相互作用光束的空间（可能还有时间）剖面的演变。 特别是对于超短脉冲的转换，应正确理解各种现象，以避免出现问题。 数值模拟对于优化性能可能至关重要。
参考文献
[1] G. D. Boyd and D. A. Kleinman, “Parametric interaction of focused Gaussian light beams”, J. Appl. Phys. 39 (8), 3597 (1968), doi:10.1063/1.1656831 (a seminal work with a comprehensive quantitative discussion)
[2] R. L. Sutherland, Handbook of Nonlinear Optics, 2nd edn., Marcel Dekker, New York (2003)
[3] A. V. Smith, SNLO software for simulating nonlinear frequency conversion in crystals, free download, http://www.as-photonics.com/snlo, from AS-Photonics
[4] A. V. Smith, Crystal nonlinear optics with SNLO examples, ISBN 978-0-692-40044-9, https://as-photonics.com/products/crystal-nlo-book/
