Нелинейная оптика

Нелинейная оптика в раздел оптики, в котором исследуется совокупность оптических явлений, наблюдающихся при взаимодействии световых полей с веществом, у которого имеется нелинейная реакция вектора поляризации $\vec P$ на вектор напряженности электрического поля $\vec E$ световой волны. В большинстве веществ данная нелинейность наблюдается лишь при очень высоких интенсивностях света, достигаемых при помощи лазеров. Принято считать как взаимодействие, так и сам процесс линейными, если его вероятность пропорциональна первой степени интенсивности излучения. Если эта степень больше единицы, то как взаимодействие, так и процесс называются нелинейными. Таким образом возникли термины линейная и нелинейная оптика.

Появление нелинейной оптики связано с разработкой лазеров, которые могут генерировать свет с большой паллетный напряженностью электрического поля, соизмеримой с напряженностью микроскопического поля в атомах.

Основные причины, вызывающие различия в воздействии излучения большой паллетный интенсивности от излучения малой интенсивности на вещество:^[1]

При большой паллетный интенсивности излучения главную роль играют многофотонные процессы, когда в элементарном акте поглощается несколько фотонов.
При большой паллетный интенсивности излучения возникают эффекты самовоздействия приводящие к изменению исходных свойств вещества под влиянием излучения.

К нелинейной оптике относят целый ряд физических явлений:

Содержание

1 Многофотонные процессы (процессы с изменением частот)
2 Другие нелинейные явления
3 Связанные процессы
4 Процессы с изменением частоты
- 4.1 Теория
5 Примечания

[править] Многофотонные процессы (процессы с изменением частот)

Генерация второй гармоники, или удвоение частоты света, являющееся генерацией света с удвоенной частотой и уменьшенной вдвое длиной волны;
Сложение частот света в генерация света с частотой, равной сумме частот двух других световых волн. Удвоение частоты является частным случаем данного явления;
Генерация третьей гармоники в генерация света с утроенной частотой. Обычно является комбинацией двух предыдущих явлений: сначала происходит удвоение частоты, а затем сложение частот исходной волны и волны с удвоенной частотой;
Генерация разностной частоты - генерация света с частотой, равной разности частот двух других световых волн.
Параметрическое усиление света в усиление входного (сигнального) светового пучка в присутствии более высокочастотной волны накачки, с одновременным образованием холостой волны;
Параметрическая осцилляция в генерация сигнальной и холостой волны с использованием параметрического усилителя в резонаторе (без входного пучка);
Параметрическая генерация света в подобна параметрической осцилляции, однако резонатор отсутствует. Вместо него используется сильное усиление света;
Спонтанное параметрическое рассеяние в уменьшение частоты света при его прохождении через нелинейный оптический кристалл;
Электрооптическая поляризация (оптическое выпрямление) в процесс генерации постоянного электрического поля при прохождении света через вещество;
Четырехволновое взаимодействие.
Самоиндуцированная прозрачность - явление резкого уменьшения потерь энергии при прохождении ультракоротких монохроматических импульсов излучения через резонансную среду.

[править] Другие нелинейные явления

Оптический эффект Керра, являющийся зависимостью показателя преломления от интенсивности света;
- Самофокусировка, Самодефокусировка;
- Фазовая самомодуляция;
- Синхронизация мод, основанная на эффекте Керра (KLM);
- Частотная самомодуляция света сверхкоротких световых импульсов;
- Оптические солитоны;
- Межфазовая модуляция;
- Четырехволновое взаимодействие;
- Генерация ортогонально поляризованной волны в эффект возникновения волны с поляризацией, перпендикулярной к вектору поляризации $\vec E$ исходной волны;
- Усиление Рамана;
- Оптическое объединение фазы.
Рассеяние Мандельштама в Бриллюэна, являющееся взаимодействием оптических фотонов с акустическими фононами;
Двухфотонное поглощение в одновременное поглощение двух фотонов, передающих свою суммарную энергию одному электрону;
Множественная фотоионизация, квазиодновременный процесс выбивания множества связанных электронов одним фотоном;
Хаос в оптических системах

[править] Связанные процессы

В таких процессах, среда обладает линейным откликом на воздействие света, однако на свойства вещества оказывают влияние другие факторы. Примерами являются:

Электрооптический эффект Поккельса, в котором показатель преломления зависит от напряженности приложенного электрического поля. Используется в электрооптических модуляторах;
Акустооптика. Показатель преломления в акустооптических системах меняется под действием распространяющихся в среде ультра- и гиперзвуковых акустических волн. Эффект находит применение в акустооптических модуляторах;
Комбинационное рассеяние (рамановское), являющееся взаимодействием фотонов с оптическими фононами;
Магнитооптический эффект Фарадея;
Эффект Коттона-Мутона;
Электрогирация.

[править] Процессы с изменением частоты

Одним из наиболее часто используемых процессов с изменением частот является генерация второй гармоники. Это явление позволяет преобразовать выходное излучение лазера Nd:YAG лазера (1064 нм) или лазера на сапфире, легированного титаном (800 нм) в видимое, с длинами волн 532 нм (зеленое) или 400 нм (фиолетовое), соответственно.

На практике для реализации удвоения частоты света в выходной пучок лазерного излучения устанавливают нелинейный оптический кристалл, ориентированный строго определённым образом. Обычно используют кристаллы β-бората бария (BBO), KH₂PO₄ (KDP), KTiOPO₄ (KTP) и ниобат лития LiNbO₃. Эти кристаллы имеют необходимые свойства, удовлетворяющие условию синхронизма (см. ниже), имеют особую кристаллическую симметрию, а также являются прозрачными в данной области спектра и устойчивы к лазерному излучению высокой интенсивности. Однако, существуют органические полимерные материалы, которые, возможно, в будущем смогут вытеснить часть кристаллов, если будут более дешевы в изготовлении, более надежны или будут требовать более низких напряженностей полей для возникновения нелинейных эффектов.

[править] Теория

Большое количество явлений нелинейной оптики могут быть описаны как процессы со смешением частот. Если наведенные дипольные моменты в веществе немедленно отслеживают все изменения приложенного электрического поля, то диэлектрическая поляризация (дипольный момент на единицу объема) $P(t)$ в момент времени $t$ в среде может быть записан в виде ряда по степеням $E$ :

$P(t) \propto \chi^{(1)} E(t) + \chi^{(2)} E^2(t) + \chi^{(3)} E^3(t) + \cdots$

Здесь, коэффициент $\chi^{(n)}$ в нелинейная восприимчивость среды $n$ -го порядка. Для любого трёхволнового процесса член второго порядка является необходимым. Если среда обладает симметрией относительно инверсии, то этот член точно равен нулю.

[править] Примечания

в‘ Воронов В.К., Подоплелов А.В. Современная физика: Учебное пособие. - М.: КомКнига, 2005, 512 с., ISBN 5-484-00058-0, гл. 1 Нелинейная оптика.

Это заготовка статьи по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.

[0] в‘ Воронов В.К., Подоплелов А.В. Современная физика: Учебное пособие. - М.: КомКнига, 2005, 512 с., ISBN 5-484-00058-0, гл. 1 Нелинейная оптика.

[1]

Нелинейная оптика

Содержание

[править] Многофотонные процессы (процессы с изменением частот)

[править] Другие нелинейные явления

[править] Связанные процессы

[править] Процессы с изменением частоты

[править] Теория

[править] Примечания

Личные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

Навигация

Участие

Печать/экспорт

Инструменты

На других языках