Nelineární optika

Nelineární optika  je obor optiky , který studuje soubor optických jevů pozorovaných při interakci světelných polí s látkou , která má nelineární odezvu vektoru polarizace na vektor intenzity elektrického pole světelné vlny . U většiny látek je tato nelinearita pozorována pouze při velmi vysokých intenzitách světla , dosažených pomocí laserů . Je obvyklé považovat interakci i samotný proces za lineární, pokud je jeho pravděpodobnost úměrná první mocnině intenzity záření. Pokud je tento stupeň větší než jedna, pak se interakce i proces nazývají nelineární. Tak vznikly pojmy lineární a nelineární optika. V nelineární optice není splněn princip superpozice [1] [2] [3] .

Vznik nelineární optiky je spojen s vývojem laserů, které dokážou generovat světlo s velkým elektrickým polem, srovnatelným se silou mikroskopického pole v atomech.

Hlavní důvody způsobující rozdíly v účinku záření vysoké intenzity od záření nízké intenzity na hmotu: [4]

1. Při vysoké intenzitě záření hrají hlavní roli multifotonové procesy, kdy je při elementárním ději absorbováno několik fotonů.
2. Při vysoké intenzitě záření vznikají samočinné efekty, vedoucí ke změně výchozích vlastností látky vlivem záření.

Nelineární optika zahrnuje řadu fyzikálních jevů:

Historie

Prvním nelineárním optickým efektem, který předpověděla Maria Goeppert-Mayer , byla dvoufotonová absorpce , která získala doktorát v roce 1931. Některé nelineární efekty byly objeveny ještě před vytvořením laseru [5] . Teoretické základy mnoha nelineárních procesů byly poprvé popsány v Blombergenově monografii „Nonlinear Optics“ [6] .

Multifotonové procesy (procesy se změnou frekvence)

• Druhá harmonická generace nebo zdvojnásobení frekvence světla , což je generace světla s dvojnásobnou frekvencí a poloviční vlnovou délkou;
• Sčítání světelných frekvencí  je generování světla s frekvencí rovnou součtu frekvencí dvou dalších světelných vln. Zvláštním případem tohoto jevu je zdvojení frekvence;
• Generování třetí harmonické  - generace světla s trojnásobnou frekvencí. Obvykle se jedná o kombinaci dvou předchozích jevů: nejprve se frekvence zdvojnásobí a poté se přidají frekvence původní vlny a frekvence zdvojené vlny;
• Generování diferenční frekvence  - generování světla s frekvencí rovnou frekvenčnímu rozdílu dvou dalších světelných vln.
• Parametrické zesílení světla  - zesílení vstupního (signálního) světelného paprsku za přítomnosti vysokofrekvenční čerpací vlny se současným vytvořením volnoběžné vlny ;
• Parametrické kmitání  - generování signálu a volnoběžné vlny pomocí parametrického zesilovače v rezonátoru (bez vstupního paprsku);
• Parametrické generování světla je podobné parametrické oscilaci, ale není zde žádný rezonátor. Místo toho se používá silné zesílení světla;
• Spontánní parametrický rozptyl  - pokles frekvence světla při průchodu nelineárním optickým krystalem;
• Elektrooptická polarizace ( optická rektifikace ) je proces generování konstantního elektrického pole, když světlo prochází látkou;
• Čtyřvlnová interakce ;
• Samovolně indukovaná transparentnost  je jev prudkého poklesu energetických ztrát při průchodu ultrakrátkých pulzů monochromatického záření rezonančním prostředím.

Jiné nelineární jevy

• Optický Kerrův jev , což je závislost indexu lomu na intenzitě světla;
  • Sebe ostření , Seberozostření ;
  • vlastní fázová modulace ;
  • Uzamčení režimu na základě Kerr efektu (KLM);
  • Frekvenční automodulace ultrakrátkých světelných pulzů;
  • Optické solitony ;
  • Mezifázová modulace ;
  • Čtyřvlnová interakce ;
  • Generování ortogonálně polarizované vlny  je efektem výskytu vlny s polarizací kolmou k polarizačnímu vektoru původní vlny;
  • získat Ramana ;
  • Optické slučování fází.
• Mandelstam-Brillouinův rozptyl , což je interakce optických fotonů s akustickými fonony ;
• Dvoufotonová absorpce  - současná absorpce dvou fotonů předávající svou celkovou energii jednomu elektronu ;
• Vícenásobná fotoionizace , kvazi-simultánní proces vyřazení mnoha vázaných elektronů jediným fotonem;
• Chaos v optických systémech

Související procesy

V takových procesech má médium lineární odezvu na světlo, ale vlastnosti látky ovlivňují další faktory. Příklady:

• Elektrooptický Pockelsův jev , při kterém index lomu závisí na síle aplikovaného elektrického pole. Používá se v elektrooptických modulátorech;
• Akustooptika . Index lomu v akustooptických systémech se mění působením ultra- a hypersonických akustických vln šířících se v médiu. Efekt nachází uplatnění v akusticko-optických modulátorech ;
• Ramanův rozptyl (Raman) , což je interakce fotonů s optickými fonony ;
• Magneto -optický Faradayův efekt ;
• Cotton-Mouton efekt ;
• Elektrogyrace .

Procesy změny frekvence

Jedním z nejčastěji používaných procesů změny frekvence je generace druhé harmonické . Tento jev umožňuje přeměnit výstupní záření Nd:YAG laseru (1064 nm) nebo titanem dopovaného safírového laseru (800 nm) na viditelné záření o vlnových délkách 532 nm (zelená) nebo 400 nm (fialová), respektive.

V praxi je pro realizaci zdvojnásobení frekvence světla instalován nelineární optický krystal ve výstupním paprsku laserového záření, orientovaný přesně definovaným způsobem. Typicky se používají krystaly β -boritanu barnatého ( BBO), KH2P04 (KDP), KTiOPO 4 ( KTP) a niobátu lithného LiNb03 . Tyto krystaly mají potřebné vlastnosti, které splňují podmínku synchronismu (viz níže), mají speciální krystalovou symetrii, jsou transparentní v této oblasti spektra a jsou odolné vůči laserovému záření o vysoké intenzitě. Existují však organické polymerní materiály, které mohou být v budoucnu schopny vytěsnit některé krystaly, pokud budou levnější na výrobu, budou spolehlivější nebo budou vyžadovat nižší intenzitu pole pro nelineární efekty.

Teorie

Velké množství jevů v nelineární optice lze popsat jako procesy s frekvenčním směšováním. Pokud indukované dipólové momenty v látce okamžitě sledují všechny změny v aplikovaném elektrickém poli, pak dielektrickou polarizaci (dipólový moment na jednotku objemu) v daném čase v médiu lze zapsat jako mocninnou řadu :

Zde je koeficient  nelineární susceptibilita prostředí t. řádu. Pro jakýkoli třívlnový proces je nutný člen druhého řádu. Pokud má médium inverzní symetrii , pak je tento člen nulový.

Poznámky

1. ↑ Boyd, Robert. nelineární optika. — 3. - Academic Press, 2008. - ISBN 978-0-12-369470-6 .
2. ↑ Shen, Yuen-Ron. Principy nelineární optiky. - Wiley-Interscience, 2002. - ISBN 978-0-471-43080-3 .
3. ↑ Agrawal, Govind. nelineární vláknová optika. — 4. - Academic Press, 2006. - ISBN 978-0-12-369516-1 .
4. ↑ Voronov V.K., Podoplelov A.V. Moderní fyzika: Učebnice. - M .: KomKniga, 2005, 512 s., ISBN 5-484-00058-0 , kap. 1 Nelineární optika.
5. ↑ Lewis, Gilbert N.; Lipkin, David; Magel, Theodore T. (listopad 1941). „Reverzibilní fotochemické procesy v tuhých médiích. Studie o fosforeskujícím stavu." Journal of the American Chemical Society []. 63 (11): 3005-3018. doi : 10.1021/ ja01856a043 .
6. ↑ Bloembergen, Nicolaas. nelineární optika. - 1965. - ISBN 978-9810225995 .

Literatura

• Drozdov A. A., Kozlov S. A. Základy nelineární optiky. - Petrohrad. : Univerzita ITMO, 2021. - 69 s.

Slovníky a encyklopedie	Velký Rus Britannica (online) Universalis
V bibliografických katalozích BNF : 119666695 GND : 4042096-6 J9U : 987007533977505171 LCCN : sh85092328 NDL : 00576645 NKC : ph123207