Optică neliniară

Optica neliniară  este o ramură a opticii care studiază un set de fenomene optice observate în timpul interacțiunii câmpurilor luminoase cu o substanță care are un răspuns neliniar al vectorului de polarizare la vectorul intensității câmpului electric al undei luminoase . În majoritatea substanțelor, această neliniaritate se observă doar la intensități luminoase foarte mari , realizate cu lasere . Se obișnuiește să se considere atât interacțiunea, cât și procesul în sine ca fiind liniare dacă probabilitatea sa este proporțională cu prima putere a intensității radiației. Dacă acest grad este mai mare decât unu, atunci atât interacțiunea, cât și procesul sunt numite neliniare. Astfel, au apărut termenii de optică liniară și neliniară. În optica neliniară , principiul suprapunerii nu este îndeplinit [1] [2] [3] .

Apariția opticii neliniare este asociată cu dezvoltarea laserelor care pot genera lumină cu un câmp electric mare, comparabil cu puterea câmpului microscopic în atomi.

Principalele motive care cauzează diferențe în efectul radiațiilor de intensitate mare față de radiațiile de intensitate scăzută asupra materiei: [4]

1. La intensitate mare de radiație, rolul principal îl joacă procesele multifotonice, când mai mulți fotoni sunt absorbiți într-un eveniment elementar.
2. La intensitatea ridicată a radiațiilor, apar efecte de autoacțiune, care conduc la o modificare a proprietăților inițiale ale substanței sub influența radiațiilor.

Optica neliniară include o serie de fenomene fizice:

Istorie

Primul efect optic neliniar prezis a fost absorbția de doi fotoni de Maria Goeppert-Mayer , care și-a luat doctoratul în 1931. Unele efecte neliniare au fost descoperite chiar înainte de crearea laserului [5] . Fundamentele teoretice ale multor procese neliniare au fost descrise pentru prima dată în monografia lui Blombergen „Optică neliniară” [6] .

Procese multifotonice (procese cu schimbare de frecvență)

• Generarea a doua armonică sau dublarea frecvenței luminii , care este generarea luminii cu o frecvență de două ori mai mare și lungimea de undă redusă la jumătate;
• Adăugarea de frecvențe luminoase  este generarea de lumină cu o frecvență egală cu suma frecvențelor altor două unde luminoase. Dublarea frecvenței este un caz special al acestui fenomen;
• Generarea celei de-a treia armonice  - generarea de lumină cu o frecvență triplă. De obicei, este o combinație a celor două fenomene anterioare: mai întâi se dublează frecvența, apoi se adaugă frecvențele undei inițiale și ale undei cu frecvență dublată;
• Generare de frecvență diferență  - generare de lumină cu o frecvență egală cu diferența de frecvență a altor două unde luminoase.
• Amplificarea parametrică a luminii  - amplificarea fasciculului de lumină de intrare (semnal) în prezența unei unde de pompă de frecvență mai mare, cu formarea simultană a unei undă de repaus ;
• Oscilație parametrică  - generarea unui semnal și a undei de repaus folosind un amplificator parametric într-un rezonator (fără fascicul de intrare);
• Generarea parametrică a luminii este similară cu oscilația parametrică, dar nu există rezonator. În schimb, se folosește o amplificare puternică a luminii;
• Imprăștirea parametrică spontană  - o scădere a frecvenței luminii pe măsură ce trece printr-un cristal optic neliniar;
• Polarizarea electro-optică ( rectificarea optică ) este procesul de generare a unui câmp electric constant atunci când lumina trece printr-o substanță;
• Interacțiunea cu patru unde ;
• Transparența autoindusă  este un fenomen de scădere bruscă a pierderilor de energie în timpul trecerii impulsurilor ultrascurte de radiație monocromatică printr-un mediu rezonant.

Alte fenomene neliniare

• Efectul Kerr optic , care este dependența indicelui de refracție de intensitatea luminii;
  • Self focus , Self defocus ;
  • Modulare de autofaza ;
  • Blocarea modului pe baza efectului Kerr (KLM);
  • Automodularea în frecvență a impulsurilor de lumină ultrascurtă;
  • solitoni optici ;
  • Modularea interfazei ;
  • Interacțiunea cu patru unde ;
  • Generarea unei unde polarizate ortogonal  este efectul apariției unei unde cu o polarizare perpendiculară pe vectorul de polarizare al undei originale;
  • Câștigați Raman ;
  • Combinarea fazelor optice.
• împrăștierea Mandelstam-Brillouin , care este interacțiunea fotonilor optici cu fononii acustici ;
• Absorbția cu doi fotoni - absorbția  simultană a doi fotoni care își transferă energia totală către un electron ;
• Fotoionizare multiplă , un proces cvasi-simultan de eliminare a multor electroni legați cu un singur foton;
• Haos în sistemele optice

Procese înrudite

În astfel de procese, mediul are un răspuns liniar la lumină, dar alți factori influențează proprietățile substanței. Exemple sunt:

• Efectul electro -optic Pockels , în care indicele de refracție depinde de intensitatea câmpului electric aplicat. Folosit la modulatoarele electro-optice;
• Acusto-optica . Indicele de refracție în sistemele acusto-optice se modifică sub acțiunea undelor acustice ultra și hipersonice care se propagă într-un mediu. Efectul își găsește aplicație în modulatoarele acusto-optice ;
• Raman scattering (Raman) , care este interacțiunea fotonilor cu fononii optici ;
• Efect Faraday magneto -optic ;
• Efect Cotton-Mouton ;
• Electrogirație .

Procese de schimbare a frecvenței

Unul dintre cele mai frecvent utilizate procese de schimbare a frecvenței este generarea de a doua armonică . Acest fenomen face posibilă convertirea radiației de ieșire a unui laser Nd:YAG ( 1064 nm) sau a unui laser cu safir dopat cu titan (800 nm) în radiații vizibile, cu lungimi de undă de 532 nm (verde) sau 400 nm (violet), respectiv.

În practică, pentru a implementa dublarea frecvenței luminii, în fasciculul de ieșire al radiației laser este instalat un cristal optic neliniar, orientat într-un mod strict definit. În mod obișnuit, sunt utilizate cristale de p-borat de bariu (BBO), KH2PO4 ( KDP ), KTiOPO4 ( KTP) și niobat de litiu LiNb03 . Aceste cristale au proprietățile necesare care satisfac condiția de sincronism (vezi mai jos), au o simetrie cristalină specială, sunt transparente în această regiune a spectrului și sunt rezistente la radiația laser de mare intensitate. Cu toate acestea, există materiale polimerice organice care ar putea în viitor să poată înlocui unele dintre cristale dacă sunt mai ieftine de fabricat, mai fiabile sau necesită intensități de câmp mai mici pentru efecte neliniare.

Teorie

Un număr mare de fenomene din optica neliniară pot fi descrise ca procese cu amestec de frecvență. Dacă momentele dipol induse într-o substanță urmăresc imediat toate modificările câmpului electric aplicat, atunci polarizarea dielectrică (momentul dipol pe unitate de volum) la un moment dat în mediu poate fi scrisă ca o serie de puteri :

Aici, coeficientul  este susceptibilitatea neliniară a mediului de ordinul al treilea. Pentru orice proces cu trei valuri, termenul de ordinul doi este necesar. Dacă mediul are simetrie inversă , atunci acest termen este zero.

Note

1. ↑ Boyd, Robert. optică neliniară. — al 3-lea. - Academic Press, 2008. - ISBN 978-0-12-369470-6 .
2. ↑ Shen, Yuen-Ron. Principiile opticii neliniare. - Wiley-Interscience, 2002. - ISBN 978-0-471-43080-3 .
3. ↑ Agrawal, Govind. fibră optică neliniară. — al 4-lea. - Presa Academică, 2006. - ISBN 978-0-12-369516-1 .
4. ↑ Voronov V.K., Podoplelov A.V. Fizica modernă: manual. - M .: KomKniga, 2005, 512 p., ISBN 5-484-00058-0 , cap. 1 Optică neliniară.
5. ↑ Lewis, Gilbert N.; Lipkin, David; Magel, Theodore T. (noiembrie 1941). „Procese fotochimice reversibile în medii rigide. Un studiu al stării fosforescente.” Jurnalul Societății Americane de Chimie []. 63 (11): 3005-3018. doi : 10.1021/ ja01856a043 .
6. ↑ Bloembergen, Nicolaas. optică neliniară. - 1965. - ISBN 978-9810225995 .

Literatură

• Drozdov A. A., Kozlov S. A. Fundamentele opticii neliniare. - Sankt Petersburg. : Universitatea ITMO, 2021. - 69 p.

Dicționare și enciclopedii	Rusă mare Britannica (online) Universalis
În cataloagele bibliografice BNF : 119666695 GND : 4042096-6 J9U : 987007533977505171 LCCN : sh85092328 NDL : 00576645 NKC : ph123207