Нелинейна оптика

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене

Нелинейна оптика (НЛО) е раздел от оптиката, който изследва явленията при разпространение на светлината в нелинейна среда. В такава среда диелектричната поляризация P не е линейна функция на електричното поле E на светлината. Обикновено такава нелинейност се наблюдава при много висок интензитет на светлината, например при лазерите.

В нелинейната оптика се изследват и използват многофотонни процеси, преобразуване на честотата на светлината, принудено предизвикани процеси като комбинационно разсейване на светлината и разсейване на Манделщам — Брилюен, самофокусиране, обръщане на вълновия фронт и др. Въз основа на нелинейната оптика са създадени параметрични генератори (с пренастройване на честотата), оптични модулатори, оптични изправители и др.

Определение за нелинейност[редактиране | edit source]

При разпространение на мощна светлинна вълна през дадена среда диелектричната проницаемост \varepsilon_r и диелектричната възприемчивост \chi_e\  свързани чрез

\chi_e\ = \varepsilon_r - 1

вече не могат да бъдат разглеждани като константи на средата, а стават функция на големината на електромагнитното поле. Тогава поляризацията P на средата (която при такива силни електромагнитни полета се нарича нелинейна среда) придобива вида:


{\mathbf P}=\varepsilon_0\chi_e({\mathbf E}) {\mathbf E}
,

където \, \varepsilon_0 е диелектричната проницаемост на вакуума.

За описанието и класификацията на нелинейните процеси е удобно горният израз да бъде преписан във вид на ред по степените на големината на електричното поле:

 
{\mathbf P}=\varepsilon_0( \chi^{(1)} {\mathbf E} + \chi^{(2)} {\mathbf E}{\mathbf E}+ \chi^{(3)} {\mathbf E}{\mathbf E}{\mathbf E} + \chi^{(4)} {\mathbf E}{\mathbf E}{\mathbf E}{\mathbf E} +\cdots),

където {\chi^{(2)}, \chi^{(3)}, \chi^{(4)}\cdots } са нови константи на средата наричани нелинейни възприемчивости или нелинейности от втори, трети, четвърти ред, съответно. Диелектричната възприемчивост \chi^{(1)}=\chi_e\  е тензор от втори ранг, а {\chi^{(2)}, \chi^{(3)}, \chi^{(4)} \ } са тензори от трети, четвърти, пети ранг, съответно.

Множеството оптични явления, които са предмет на нелинейната оптика, най-общо могат да се групират според степента на израза за зависимостта на P от големината на електричното поле E.

- квадратични нелинейни оптични ефекти, на базата на {\chi^{(2)}  \ } нелинейности. Тези ефекти могат да се наблюдават в среди без център на инверсия;

- кубични нелинейни оптични ефекти, на базата на { \chi^{(3)} \ } нелинейности. Тези ефекти могат да се наблюдават във всички среди, както с център, така и без център на инверсия;

- нелинейни оптични ефекти от по-висок порядък на базата на { \chi^{(n)} \ } (n> 3) нелинейности.


Квадратични нелинейни оптични явления[редактиране | edit source]

  • Генерация на втора хармонична (ГВХ), или удвояване на честотата, генерация на светлина с удвоена честота (половин дължина на вълната);
  • Генерация на сумарна честота (ГСЧ), генерация на светлина с честота, която е сума от две други честоти (ГВХ е частен случай на ГСЧ);
  • Генерация на разликова честота (ГРЧ), генерация на светлина с честота, която е разликата от две други честоти;
  • Оптичен параметричен усилвател, усилване на входен сигнал в присъствието на по-високочестотна напомпваща вълна, като в същото време се генерира допълнителна вълна с честота равна на разликата на честотите на напомпването и сигналната вълна (може да се приеме като ГРЧ);
  • Оптичен параметричен осцилатор, генерация на сигнална и допълнителна вълна използвайки параметричен усилвател в резонатор (само с напомпване - без сигнална вълна на входа);
  • Параметрична генерация, като параметричната осцилация, но без резонатор, вместо това се използва много високо усилване;
  • Оптично изправяне, генерация на постоянно електрично поле или на електрично поле с ниски честоти при облъчване на прозрачни среди с мощно лазерно лъчение;


Кубични нелинейни оптични явления[редактиране | edit source]

  • Генерация на трета хармонична (ГТХ), генерация на светлина с утроена честота (една трета от дължината на вълната). Наблюдава се в единична среда чрез директно утрояване на честотата на база на кубичната нелинейност на средата. За получаване на по-голяма ефективност се осъществява в среди с квадратична нелинейност на две стъпки: ГВХ следвана от ГСЧ на основната вълна и генерираната вече вълна с удвоена честота;
  • Спонтанно параметрично преобразуване, усилване на флуктуациите на вакуума в режим на слабо усилване;
  • Четиривълново смесване (ЧВС), използва се за преобразуване на честоти в среди с център на инверсия, например газообразни среди;
  • Фазова само модулация (SPM), { \chi^{(3)} \ } ефект;
  • Само-фокусировка { \chi^{(3)} \ } процес силно свързан с фазовата само модулация ;
  • Индуцирана фазова модулация (XPM) { \chi^{(3)} \ } ефект;
  • Оптически ефект на Кер, индуцирана промяна на коефициента на пречупване от мощно светлинно поле;
  • Керовска синхронизация на модовете (KML), метод за синхронизация на модовете на базата на ефекта на само-модулация. Използва се при лазерите, генериращи в пикосекундния и фемтосекундния времеви диапазон;
  • Обръщане на вълновия фронт (ОВФ) { \chi^{(3)} \ } процес при който се светлинната вълна преобразува вълновия си фронт в комплексно спрегнат. Например, вдлъбнат фазов фронт вследствие на този кубичен процес става изпъкнал или обратното.
  • Двуфотонно поглъщане, ефект при който вследствие на едновременното поглъщане на два фотона атомите, молекулите, средите могат да преминат в по-високо енергетично състояние;
  • Генерация на перпендикулярно-поляризирана вълна, { \chi^{(3)} \ } ефект наблюдаван в кубични кристали, като например BaF2;