Epälineaarinen optiikka

Epälineaarinen optiikka  on optiikan ala , joka tutkii joukkoa optisia ilmiöitä, joita havaitaan valokenttien vuorovaikutuksessa aineen kanssa , jolla on polarisaatiovektorin epälineaarinen vaste valoaallon sähkökentän voimakkuuden vektoriin . Useimmissa aineissa tämä epälineaarisuus havaitaan vain erittäin korkeilla valon voimakkuuksilla , jotka saavutetaan lasereilla . Sekä vuorovaikutusta että itse prosessia on tapana pitää lineaarisina, jos sen todennäköisyys on verrannollinen säteilyintensiteetin ensimmäiseen potenssiin. Jos tämä aste on suurempi kuin yksi, niin sekä vuorovaikutusta että prosessia kutsutaan epälineaarisiksi. Siten termit lineaarinen ja epälineaarinen optiikka syntyivät. Epälineaarisessa optiikassa superpositioperiaate ei täyty [1] [2] [3] .

Epälineaarisen optiikan syntyminen liittyy lasereiden kehittämiseen, jotka voivat tuottaa valoa suurella sähkökentällä, joka on verrattavissa atomien mikroskooppisen kentän voimakkuuteen.

Tärkeimmät syyt, jotka aiheuttavat eroja voimakkaan säteilyn ja matalan intensiteetin säteilyn vaikutuksissa aineeseen: [4]

1. Korkealla säteilyintensiteetillä päärooli on monifotonisilla prosesseilla, kun useita fotoneja absorboituu alkuainetapahtumassa.
2. Korkealla säteilyintensiteetillä syntyy itsevaikutusvaikutuksia, jotka johtavat aineen alkuperäisten ominaisuuksien muutokseen säteilyn vaikutuksesta.

Epälineaarinen optiikka sisältää useita fysikaalisia ilmiöitä:

Historia

Ensimmäinen ennustettu epälineaarinen optinen vaikutus oli kahden fotonin absorptio Maria Goeppert-Mayerilta , joka väitteli tohtoriksi vuonna 1931. Joitakin epälineaarisia vaikutuksia löydettiin jo ennen laserin luomista [5] . Monien epälineaaristen prosessien teoreettiset perusteet kuvattiin ensimmäisen kerran Blombergenin monografiassa "Nonlinear Optics" [6] .

Monifotoniprosessit (prosessit, joissa taajuusmuutos)

• Toinen harmoninen sukupolvi eli valon taajuuden kaksinkertaistaminen , joka on valon generointi kaksinkertaisella taajuudella ja puolitetulla aallonpituudella;
• Valon taajuuksien lisääminen on valon  tuottamista, jonka taajuus on yhtä suuri kuin kahden muun valoaallon taajuuksien summa. Taajuuden kaksinkertaistuminen on tämän ilmiön erikoistapaus;
• Kolmannen harmonisen  sukupolvi - valon tuottaminen kolminkertaisella taajuudella. Yleensä se on kahden edellisen ilmiön yhdistelmä: ensin taajuus kaksinkertaistetaan ja sitten lisätään alkuperäisen aallon ja taajuudella kaksinkertaistetun aallon taajuudet;
• Taajuuserogenerointi  - valon tuottaminen taajuudella, joka on yhtä suuri kuin kahden muun valoaallon taajuusero.
• Parametrinen valon  vahvistus - sisääntulon (signaalin) valonsäteen vahvistus korkeamman taajuuden pumppuaallon läsnä ollessa, jolloin muodostuu samanaikaisesti tyhjäkäyntiaalto ;
• Parametrinen värähtely  - signaalin ja tyhjäkäyntiaallon generointi parametrivahvistimen avulla resonaattorissa (ilman tulosädettä);
• Parametrinen valon muodostus on samanlaista kuin parametrinen värähtely, mutta siinä ei ole resonaattoria. Sen sijaan käytetään voimakasta valon vahvistusta;
• Spontaani parametrinen sironta  - valon taajuuden lasku, kun se kulkee epälineaarisen optisen kiteen läpi;
• Sähkö -optinen polarisaatio ( optinen tasasuuntaus ) on prosessi, jossa syntyy vakio sähkökenttä, kun valo kulkee aineen läpi;
• Neliaaltovuorovaikutus ;
• Itse aiheutettu läpinäkyvyys  on ilmiö, jossa energiahäviöt pienenevät jyrkästi ultralyhyiden monokromaattisten säteilypulssien kulkiessa resonoivan väliaineen läpi.

Muut epälineaariset ilmiöt

• Optinen Kerr-ilmiö , joka on taitekertoimen riippuvuus valon intensiteetistä;
  • Self keskittyä , Self defocus ;
  • Itsevaihemodulaatio ;
  • Tilan lukitus perustuu Kerr-efektiin (KLM);
  • Ultralyhyiden valopulssien taajuuden itsemodulaatio;
  • optiset solitonit ;
  • Interfaasimodulaatio ;
  • Neliaaltovuorovaikutus ;
  • Ortogonaalisesti polarisoidun aallon  muodostuminen on sellaisen aallon vaikutus, jonka polarisaatio on kohtisuorassa alkuperäisen aallon polarisaatiovektoriin nähden;
  • Gain Raman ;
  • Optinen vaiheen yhdistäminen.
• Mandelstam-Brillouinin sironta , joka on optisten fotonien vuorovaikutusta akustisten fononien kanssa ;
• Kahden fotonin absorptio - kahden fotonin  samanaikainen absorptio siirtää kokonaisenergiansa yhdelle elektronille ;
• Moninkertainen fotoionisaatio , lähes samanaikainen prosessi, jossa useita sitoutuneita elektroneja lyödään pois yhdellä fotonilla;
• Kaaos optisissa järjestelmissä

Aiheeseen liittyvät prosessit

Tällaisissa prosesseissa väliaine reagoi valoon lineaarisesti, mutta muut tekijät vaikuttavat aineen ominaisuuksiin. Esimerkkejä ovat:

• Sähkö-optinen Pockels - efekti , jossa taitekerroin riippuu käytetyn sähkökentän voimakkuudesta. Käytetään sähkö-optisissa modulaattoreissa;
• Akusto-optiikka . Akusto-optisten järjestelmien taitekerroin muuttuu väliaineessa etenevien ultra- ja hypersonic - akustisten aaltojen vaikutuksesta. Vaikutus löytää sovelluksen akusto-optisissa modulaattoreissa ;
• Raman-sironta (Raman) , joka on fotonien vuorovaikutus optisten fononien kanssa ;
• Magneto -optinen Faraday-efekti ;
• Puuvilla-Mouton vaikutus ;
• Sähkökierrätys .

Taajuutta muuttavat prosessit

Yksi yleisimmin käytetyistä taajuudenmuutosprosesseista on toinen harmoninen sukupolvi . Tämä ilmiö mahdollistaa Nd:YAG - laserin (1064 nm) tai titaaniseostetun safiirilaserin (800 nm) lähtösäteilyn muuntamisen näkyväksi säteilyksi, jonka aallonpituudet ovat 532 nm (vihreä) tai 400 nm (violetti), vastaavasti.

Käytännössä valotaajuuden kaksinkertaistamiseksi lasersäteilyn lähtösäteeseen asennetaan epälineaarinen optinen kide, joka on suunnattu tarkasti määritellyllä tavalla. Tyypillisesti käytetään barium-p-boraatin (BBO), KH2PO4 : n ( KDP), KTiOPO4 : n (KTP) ja litiumniobaatti LiNbO3:n kiteitä . Näillä kiteillä on tarvittavat ominaisuudet, jotka täyttävät synkronointiehdon (katso alla), niillä on erityinen kidesymmetria, ne ovat läpinäkyviä tällä spektrin alueella ja kestävät korkean intensiteetin lasersäteilyä. On kuitenkin olemassa orgaanisia polymeerimateriaaleja, jotka saattavat tulevaisuudessa pystyä syrjäyttämään osan kiteistä, jos ne ovat halvempia valmistaa, luotettavampia tai vaativat pienempiä kenttävoimakkuuksia epälineaaristen vaikutusten vuoksi.

Teoria

Suuri joukko ilmiöitä epälineaarisessa optiikassa voidaan kuvata prosesseiksi, joissa on taajuussekoitusta. Jos aineen indusoidut dipolimomentit seuraavat välittömästi kaikkia muutoksia käytetyssä sähkökentässä, dielektrinen polarisaatio (dipolimomentti tilavuusyksikköä kohti) voidaan kirjoittaa väliaineeseen kerrallaan tehosarjana :

Tässä kerroin  on kertaluvun väliaineen epälineaarinen susceptibiliteetti . Jokaisessa kolmiaaltoprosessissa toisen asteen termi on välttämätön. Jos välineellä on inversiosymmetria , tämä termi on nolla.

Muistiinpanot

1. ↑ Boyd, Robert. epälineaarista optiikkaa. – 3. - Academic Press, 2008. - ISBN 978-0-12-369470-6 .
2. ↑ Shen, Yuen-Ron. Epälineaarisen optiikan periaatteet. - Wiley-Interscience, 2002. - ISBN 978-0-471-43080-3 .
3. ↑ Agrawal, Govind. epälineaarista kuituoptiikkaa. – 4. - Academic Press, 2006. - ISBN 978-0-12-369516-1 .
4. ↑ Voronov V.K., Podoplelov A.V. Moderni fysiikka: Oppikirja. - M .: KomKniga, 2005, 512 s., ISBN 5-484-00058-0 , ch. 1 Epälineaarinen optiikka.
5. ↑ Lewis, Gilbert N.; Lipkin, David; Magel, Theodore T. (marraskuu 1941). "Kääntyvät fotokemialliset prosessit jäykissä väliaineissa. Fosforoivan tilan tutkimus." American Chemical Societyn lehti []. 63 (11): 3005-3018. doi : 10.1021/ ja01856a043 .
6. ↑ Bloembergen, Nicolaas. epälineaarista optiikkaa. - 1965. - ISBN 978-9810225995 .

Kirjallisuus

• Drozdov A. A., Kozlov S. A. Epälineaarisen optiikan perusteet. - Pietari. : ITMO-yliopisto, 2021. - 69 s.

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Iso venäläinen Britannica (verkossa) Universalis
Bibliografisissa luetteloissa BNF : 119666695 GND : 4042096-6 J9U : 987007533977505171 LCCN : sh85092328 NDL : 00576645 NKC : ph123207