Icke-linjär optik

Icke-linjär optik  är en gren av optiken som studerar en uppsättning optiska fenomen som observeras under växelverkan mellan ljusfält och ett ämne som har ett olinjärt svar från polarisationsvektorn på vektorn för ljusvågens elektriska fältstyrka . I de flesta ämnen observeras denna olinjäritet endast vid mycket höga ljusintensiteter , uppnådda med laser . . Det är vanligt att betrakta både interaktionen och själva processen som linjär om dess sannolikhet är proportionell mot den första potensen av strålningsintensiteten. Om denna grad är större än en, så kallas både interaktionen och processen olinjär. Sålunda uppstod termerna linjär och olinjär optik. I olinjär optik är principen om överlagring inte uppfylld [1] [2] [3] .

Framväxten av olinjär optik är förknippad med utvecklingen av lasrar som kan generera ljus med ett stort elektriskt fält, jämförbart med styrkan hos det mikroskopiska fältet i atomer.

De främsta orsakerna till skillnader i effekten av högintensiv strålning från lågintensiv strålning på materia: [4]

1. Vid hög strålningsintensitet spelas huvudrollen av multifotonprocesser, när flera fotoner absorberas i en elementär händelse.
2. Vid hög strålningsintensitet uppstår självverkande effekter, vilket leder till en förändring av ämnets initiala egenskaper under påverkan av strålning.

Icke -linjär optik inkluderar ett antal fysiska fenomen:

Historik

Den första icke-linjära optiska effekten som förutspåddes var tvåfotonabsorption av Maria Goeppert-Mayer , som doktorerade 1931. Vissa icke-linjära effekter upptäcktes redan innan lasern skapades [5] . De teoretiska grunderna för många olinjära processer beskrevs först i Blombergens monografi "Icke-linjär optik" [6] .

Multifotonprocesser (processer med frekvensändring)

• Andra övertonsgenerering , eller fördubbling av ljusets frekvens , vilket är genereringen av ljus med dubbelt så hög frekvens och halverad våglängd;
• Tillägget av ljusfrekvenser  är genereringen av ljus med en frekvens som är lika med summan av frekvenserna för två andra ljusvågor. Frekvensfördubbling är ett specialfall av detta fenomen;
• Generering av den tredje övertonen  - generering av ljus med en trippelfrekvens. Vanligtvis är det en kombination av de två föregående fenomenen: först dubbleras frekvensen och sedan läggs frekvenserna för den ursprungliga vågen och den frekvensdubblerade vågen till;
• Differensfrekvensgenerering  - generering av ljus med en frekvens som är lika med frekvensskillnaden för två andra ljusvågor.
• Parametrisk förstärkning av ljusförstärkning  av ingångs(signal) ljusstrålen i närvaro av en högre frekvens pumpvåg, med samtidig bildning av en tomgångsvåg ;
• Parametrisk oscillation  - generering av en signal och tomgångsvåg med hjälp av en parametrisk förstärkare i en resonator (utan en ingångsstråle);
• Parametrisk ljusgenerering liknar parametrisk oscillation, men det finns ingen resonator. Istället används stark ljusförstärkning;
• Spontan parametrisk spridning  - en minskning av frekvensen av ljus när det passerar genom en olinjär optisk kristall;
• Elektrooptisk polarisation ( optisk likriktning ) är processen att generera ett konstant elektriskt fält när ljus passerar genom ett ämne;
• Fyrvågsinteraktion ;
• Självinducerad transparens  är ett fenomen med en kraftig minskning av energiförluster under passagen av ultrakorta monokromatiska strålningspulser genom ett resonansmedium.

Andra icke-linjära fenomen

• Optisk Kerr-effekt , som är brytningsindexets beroende av ljusets intensitet;
  • Självfokus , Självdefokusering ;
  • Självfasmodulering ;
  • Lägeslåsning baserad på Kerr-effekten (KLM);
  • Frekvens självmodulering av ultrakorta ljuspulser;
  • Optiska solitoner ;
  • Interfasmodulering ;
  • Fyrvågsinteraktion ;
  • Generering av en ortogonalt polariserad våg  är effekten av uppkomsten av en våg med en polarisation vinkelrät mot den ursprungliga vågens polarisationsvektor;
  • Få Raman ;
  • Optisk faskombination.
• Mandelstam-Brillouin spridning , som är interaktionen mellan optiska fotoner och akustiska fononer ;
• Två-fotonabsorption  - samtidig absorption av två fotoner som överför sin totala energi till en elektron ;
• Multipel fotojonisering , en kvasi-simultan process för att slå ut många bundna elektroner med en enda foton;
• Kaos i optiska system

Relaterade processer

I sådana processer har mediet en linjär respons på ljus, men andra faktorer påverkar ämnets egenskaper. Exempel är:

• Elektro -optisk Pockels-effekt , där brytningsindex beror på styrkan hos det pålagda elektriska fältet. Används i elektrooptiska modulatorer;
• Akusto-optik . Brytningsindexet i akusto-optiska system förändras under inverkan av ultra- och hypersoniska akustiska vågor som utbreder sig i ett medium. Effekten finner tillämpning i akusto-optiska modulatorer ;
• Raman-spridning (Raman) , som är interaktionen mellan fotoner och optiska fononer ;
• Magneto -optisk Faraday-effekt ;
• Bomull-Mouton effekt ;
• Elektrogyrering .

Frekvensförändrande processer

En av de mest använda frekvensändringsprocesserna är generering av andra övertoner . Detta fenomen gör det möjligt att omvandla utstrålningen från en Nd:YAG - laser (1064 nm) eller en titandopad safirlaser (800 nm) till synlig strålning, med våglängder på 532 nm (grön) eller 400 nm (violett), respektive.

I praktiken, för att implementera en fördubbling av ljusets frekvens, installeras en olinjär optisk kristall i laserstrålningens utgångsstråle, orienterad på ett strikt definierat sätt. Vanligtvis används kristaller av barium-β-borat ( BBO), KH2PO4 ( KDP ), KTiOPO4 ( KTP ) och litiumniobat LiNbO3 . Dessa kristaller har de nödvändiga egenskaperna som uppfyller synkronismvillkoret (se nedan), har en speciell kristallsymmetri, är transparenta i denna del av spektrumet och är resistenta mot högintensiv laserstrålning. Det finns dock organiska polymera material som i framtiden kan komma att kunna tränga undan en del av kristallerna om de är billigare att tillverka, mer pålitliga eller kräver lägre fältstyrkor för icke-linjära effekter.

Teori

Ett stort antal fenomen inom olinjär optik kan beskrivas som processer med frekvensblandning. Om de inducerade dipolmomenten i ett ämne omedelbart spårar alla förändringar i det applicerade elektriska fältet, kan den dielektriska polarisationen (dipolmomentet per volymenhet) vid en tidpunkt i mediet skrivas som en effektserie :

Här är koefficienten  den olinjära susceptibiliteten för mediet i den e ordningen. För varje trevågsprocess är andra ordningens term nödvändig. Om mediet har inversionssymmetri är denna term noll.

Anteckningar

1. ↑ Boyd, Robert. olinjär optik. — 3:a. - Academic Press, 2008. - ISBN 978-0-12-369470-6 .
2. ↑ Shen, Yuen-Ron. Principerna för icke-linjär optik. - Wiley-Interscience, 2002. - ISBN 978-0-471-43080-3 .
3. ↑ Agrawal, Govind. olinjär fiberoptik. — 4:a. - Academic Press, 2006. - ISBN 978-0-12-369516-1 .
4. ↑ Voronov V.K., Podoplelov A.V. Modern fysik: Lärobok. - M .: KomKniga, 2005, 512 s., ISBN 5-484-00058-0 , kap. 1 Icke-linjär optik.
5. ↑ Lewis, Gilbert N.; Lipkin, David; Magel, Theodore T. (november 1941). "Reversibla fotokemiska processer i styva media. En studie av det fosforescerande tillståndet." Journal of the American Chemical Society []. 63 (11): 3005-3018. doi : 10.1021/ ja01856a043 .
6. ↑ Bloembergen, Nicolaas. olinjär optik. - 1965. - ISBN 978-9810225995 .

Litteratur

• Drozdov A. A., Kozlov S. A. Grunderna för olinjär optik. - St Petersburg. : ITMO University, 2021. - 69 sid.

Ordböcker och uppslagsverk	Stor ryss Britannica (online) Universalis
I bibliografiska kataloger BNF : 119666695 GND : 4042096-6 J9U : 987007533977505171 LCCN : sh85092328 NDL : 00576645 NKC : ph123207