Нелинейная оптика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Нелинейная оптика — раздел оптики, в котором исследуется совокупность оптических явлений, наблюдающихся при взаимодействии световых полей с веществом, у которого имеется нелинейная реакция вектора поляризации на вектор напряжённости электрического поля 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 напряжённостью электрического поля, соизмеримой с напряжённостью микроскопического поля в атомах.

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

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

К нелинейной оптике относят целый ряд физических явлений:

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 — генерация света с частотой, равной сумме частот двух других световых волн. Удвоение частоты является частным случаем данного явления;
  • — 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.
  • — усиление входного (сигнального) светового пучка в присутствии более высокочастотной волны накачки, с одновременным образованием холостой волны;
  • — генерация сигнальной и холостой волны с использованием параметрического усилителя в резонаторе (без входного пучка);
  • — подобна параметрической осцилляции, однако резонатор отсутствует. Вместо него используется сильное усиление света;
  • Спонтанное параметрическое рассеяние — уменьшение частоты света при его прохождении через нелинейный оптический кристалл;
  • () — процесс генерации постоянного электрического поля при прохождении света через вещество;
  • .
  • Самоиндуцированная прозрачность - явление резкого уменьшения потерь энергии при прохождении ультракоротких монохроматических импульсов излучения через резонансную среду.

Другие нелинейные явления[ | ]

Связанные процессы[ | ]

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

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 (зелёное) 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 (BBO), KH2PO4 (KDP), (KTP) и ниобат лития LiNbO3. Эти кристаллы имеют необходимые свойства, удовлетворяющие (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 надёжны или будут требовать более низких напряжённостей полей для возникновения нелинейных эффектов.

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 объёма) в момент времени в среде может быть записан в виде ряда по степеням :

Здесь, коэффициент  — нелинейная восприимчивость среды -го порядка. Для любого трёхволнового процесса член второго порядка является необходимым. Если среда обладает симметрией относительно инверсии, то этот член точно равен нулю.

Примечания[ | ]

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