Nemlineáris optika

A nemlineáris optika  az optika egyik ága , amely olyan optikai jelenségek halmazát vizsgálja, amelyeket a fényterek és egy olyan anyag kölcsönhatása során figyeltek meg , amelynek a polarizációs vektora nemlineárisan reagál a fényhullám elektromos térerősségének vektorára . A legtöbb anyagnál ez a nemlinearitás csak nagyon magas fényintenzitásnál figyelhető meg, amit lézerekkel érnek el . A kölcsönhatást és magát a folyamatot is lineárisnak szokás tekinteni, ha annak valószínűsége arányos a sugárzási intenzitás első hatványával. Ha ez a fok nagyobb egynél, akkor a kölcsönhatást és a folyamatot is nemlineárisnak nevezzük. Így keletkeztek a lineáris és nemlineáris optika kifejezések. A nemlineáris optikában a szuperpozíció elve nem teljesül [1] [2] [3] .

A nemlineáris optika megjelenése olyan lézerek kifejlesztésével függ össze, amelyek nagy elektromos térrel képesek fényt generálni, amely összemérhető az atomok mikroszkopikus mezőjének erősségével.

A fő okok, amelyek a nagy intenzitású sugárzás és az alacsony intenzitású sugárzás anyagra gyakorolt ​​hatásában eltéréseket okoznak: [4]

1. Nagy sugárzási intenzitás esetén a főszerep a többfoton folyamatoké, amikor egy elemi esemény során több foton nyelődik el.
2. Nagy sugárzási intenzitás esetén önműködő hatások lépnek fel, amelyek az anyag kezdeti tulajdonságainak megváltozásához vezetnek a sugárzás hatására.

A nemlineáris optika számos fizikai jelenséget foglal magában:

Történelem

Az első előre jelzett nemlineáris optikai hatás Maria Goeppert-Mayer kétfoton abszorpciója volt , aki 1931-ben doktorált. Néhány nemlineáris hatást már a lézer létrehozása előtt is felfedeztek [5] . Számos nemlineáris folyamat elméleti alapjait először Blombergen "Nonlinear Optics" [6] című monográfiája írta le .

Többfoton folyamatok (frekvenciaváltással járó eljárások)

• Második harmonikus generálás , vagy a fény frekvenciájának megkétszerezése , ami kétszer akkora frekvenciával és felére csökkentett hullámhosszú fénygeneráció;
• A fényfrekvenciák  összeadása két másik fényhullám frekvenciájának összegével megegyező frekvenciájú fény előállítása. A frekvencia megkettőződése ennek a jelenségnek egy speciális esete;
• A harmadik harmonikus  generálása - háromszoros frekvenciájú fénygenerálás. Általában ez a két előző jelenség kombinációja: először a frekvenciát megduplázzák, majd összeadják az eredeti hullám és a frekvencia-duplázott hullám frekvenciáit;
• Különbségfrekvencia  -generálás - két másik fényhullám frekvenciakülönbségével megegyező frekvenciájú fény előállítása.
• Fény paraméteres erősítése - a bemeneti (jel) fénynyaláb erősítése magasabb frekvenciájú pumpahullám jelenlétében, üresjárati hullám  egyidejű kialakításával ;
• Paraméteres oszcilláció  - jel és üresjárati hullám generálása paraméteres erősítő segítségével egy rezonátorban (bemeneti sugár nélkül);
• A paraméteres fénygenerálás hasonló a parametrikus oszcillációhoz, de nincs rezonátor. Ehelyett erős fényerősítést alkalmaznak;
• Spontán parametrikus szórás  - a fény frekvenciájának csökkenése, amikor áthalad egy nemlineáris optikai kristályon;
• Az elektro-optikai polarizáció ( optikai egyenirányítás ) állandó elektromos mező létrehozásának folyamata, amikor a fény áthalad egy anyagon;
• Négyhullámú kölcsönhatás ;
• Az önindukált átlátszóság  az ultrarövid monokromatikus sugárzási impulzusok rezonáns közegen keresztül történő áthaladása során bekövetkező energiaveszteségek éles csökkenésének jelensége.

Egyéb nemlineáris jelenségek

• Optikai Kerr-effektus , amely a törésmutató függése a fény intenzitásától;
  • Önfókusz , Self defocus ;
  • Önfázisú moduláció ;
  • Üzemmód zárolás a Kerr-effektuson (KLM) alapulóan ;
  • Ultrarövid fényimpulzusok frekvencia önmodulációja;
  • Optikai szolitonok ;
  • Fázisközi moduláció ;
  • Négyhullámú kölcsönhatás ;
  • Az ortogonálisan polarizált hullám generálása  az eredeti hullám polarizációs vektorára merőleges polarizációjú hullám megjelenésének hatása ;
  • Gain Raman ;
  • Optikai fáziskombináció.
• Mandelstam-Brillouin szórás , amely az optikai fotonok és az akusztikus fononok kölcsönhatása ;
• Kétfoton abszorpció  - két foton egyidejű abszorpciója, amelyek teljes energiájukat egy elektronnak adják át ;
• Többszörös fotoionizáció , egy kvázi egyidejű folyamat, amelynek során egyetlen fotonnal sok megkötött elektront kiütnek;
• Káosz az optikai rendszerekben

Kapcsolódó folyamatok

Az ilyen folyamatokban a közeg lineárisan reagál a fényre, de más tényezők befolyásolják az anyag tulajdonságait. Példák:

• Elektrooptikai Pockels-effektus , amelyben a törésmutató az alkalmazott elektromos tér erősségétől függ. Elektro-optikai modulátorokban használják;
• Akusztikus-optika . Az akusztikai-optikai rendszerek törésmutatója a közegben terjedő ultra- és hiperszonikus akusztikus hullámok hatására változik. A hatás az akusztikus-optikai modulátorokban is alkalmazható ;
• Raman-szórás (Raman) , amely a fotonok és az optikai fononok kölcsönhatása ;
• Magneto -optikai Faraday effektus ;
• Cotton-Mouton hatás ;
• Elektrogiráció .

Frekvenciaváltó folyamatok

Az egyik leggyakrabban használt frekvenciaváltó folyamat a második harmonikus generálás . Ez a jelenség lehetővé teszi, hogy egy Nd:YAG lézer (1064 nm) vagy egy titánnal adalékolt zafírlézer (800 nm) kimenő sugárzását látható sugárzássá alakítsák 532 nm (zöld) vagy 400 nm (ibolya) hullámhosszon. illetőleg.

A gyakorlatban a fényfrekvencia megkettőzésének megvalósítása érdekében a lézersugárzás kimenő nyalábjába nemlineáris optikai kristályt építenek be, szigorúan meghatározott módon orientálva. Jellemzően bárium-β-borát (BBO), KH 2 PO 4 (KDP), KTiOPO 4 (KTP) és lítium-niobát LiNbO 3 kristályokat használnak . Ezek a kristályok rendelkeznek a szükséges tulajdonságokkal, amelyek kielégítik a szinkronizálási feltételt (lásd alább), speciális kristályszimmetriával rendelkeznek, átlátszóak a spektrum ezen tartományában, és ellenállnak a nagy intenzitású lézersugárzásnak. Vannak azonban olyan szerves polimer anyagok, amelyek a jövőben képesek lehetnek a kristályok egy részének kiszorítására, ha olcsóbbak a gyártásuk, megbízhatóbbak, vagy kisebb térerősséget igényelnek a nemlineáris hatások miatt.

Elmélet

A nemlineáris optikában számos jelenség leírható frekvenciakeveréssel járó folyamatként. Ha egy anyagban az indukált dipólusmomentumok azonnal követik az alkalmazott elektromos tér minden változását, akkor a dielektromos polarizáció (dipólusmomentum egységnyi térfogatra) a közegben egy időpontban hatványsorként írható fel :

Itt az együttható  a harmadrendű közeg nemlineáris szuszceptibilitása. Minden háromhullámú folyamathoz a másodrendű kifejezés szükséges. Ha a közeg inverziós szimmetriájú , akkor ez a tag nulla.

Jegyzetek

1. ↑ Boyd, Robert. nemlineáris optika. — 3. - Academic Press, 2008. - ISBN 978-0-12-369470-6 .
2. ↑ Shen, Yuen-Ron. A nemlineáris optika alapelvei. - Wiley-Interscience, 2002. - ISBN 978-0-471-43080-3 .
3. ↑ Agrawal, Govind. nemlineáris száloptika. — 4. - Academic Press, 2006. - ISBN 978-0-12-369516-1 .
4. ↑ Voronov V.K., Podoplelov A.V. Modern fizika: Tankönyv. - M .: KomKniga, 2005, 512 p., ISBN 5-484-00058-0 , ch. 1 Nemlineáris optika.
5. ↑ Lewis, Gilbert N.; Lipkin, David; Magel, Theodore T. (1941. november). „Reverzibilis fotokémiai folyamatok merev közegben. A foszforeszkáló állapot tanulmányozása. Az American Chemical Society folyóirata []. 63 (11): 3005-3018. doi : 10.1021/ ja01856a043 .
6. ↑ Bloembergen, Nicolaas. nemlineáris optika. - 1965. - ISBN 978-9810225995 .

Irodalom

• Drozdov A. A., Kozlov S. A. A nemlineáris optika alapjai. - Szentpétervár. : ITMO Egyetem, 2021. - 69 p.

Szótárak és enciklopédiák	Nagy orosz Britannica (online) Universalis
Bibliográfiai katalógusokban BNF : 119666695 GND : 4042096-6 J9U : 987007533977505171 LCCN : sh85092328 NDL : 00576645 NKC : ph123207