Нелинейная оптика – это отдельный раздел оптики, где изучается совокупность оптических явлений, которые происходят при взаимодействии световых полей с веществом, обладающим нелинейной реакцией вектора поляризации P с вектором напряженности электрического поля E. Большинство веществ обладает подобной нелинейностью только при высокой интенсивности света, что достигается при помощи лазеров.
Появление отдельного раздела – нелинейной оптики, в первую очередь связано с изучением и разработкой лазеров, способных генерировать свет с большой напряженностью электрического поля, сравнимой с напряженностью микроскопического поля в атомах.
Процессы с изменением частот – многофотонные процессы.
- Генерация второй гармоники – тоже, что и удвоение частоты света, которая является созданием света с удвоенной частотой или же уменьшенной вдвое длиной волны;
- Сложение частот света – генерация света с частотой, которая равна сумме частот остальных двух световых волн. Удвоение частоты – это частный случай данного явления в нелинейной оптике;
- Генерация третьей гармоники – тоже, что и утроение света. Как правило, является комбинацией генерации второй гармоники и сложения частот света: первоначально осуществляется удвоение частоты, а после сложение частот начальной волны и волны с удвоенной частотой;
- Генерация световой волны с частотой, которая равна разности остальных двух волн;
- Параметрическое усиление света – это усиление сигнального светового пучка при наличии очень высокочастотной волны накачки, что приводит к образованию холостой волны;
- Параметрическая осцилляция – генерация холостой и сигнальной волны с применением параметрического усилителя в резонаторе без входного пучка;
- Параметрическая генерация света – почти тоже самое, что и параметрическая осцилляция, только при отсутствующем резонаторе. Вместо него – сильное усиление света;
- Спонтанное параметрическое уменьшение частоты света – во время прохождения через нелинейный оптический кристалл частота света уменьшается;
- Электрооптическая поляризация (оптическое выпрямление) – процесс создания постоянного электрического поля при прохождении света через определенное вещество;
- Четырехволновое взаимодействие.
Другие нелинейные явления.
- Зависимость показателя преломления от скорости света – оптический эффект Керра:
- Самофокусировка, самодефокусировка;
- Оптические солитоны;
- Частотная самомодуляция света сверхкоротких световых импульсов;
- Синхронизация мод на основе эффекта Керра;
- Межфазовая модуляция;
- Усиление Рамана;
- Четырехволновое взаимодействие;
- Оптические солитоны;
- Оптическое объединение фазы;
- Генерация ортогонально поляризованной волны.
- Двухтонное поглощение – это одновременное поглощение двух фотонов, которое передают свою совместную энергию электрону;
- Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, которое основано на взаимодействии оптических фотонов с акустическими фононами;
- Множественная фотоионизация, квазиодновременный процесс исключения множества связанных электронов одним фотоном;
- Хаос в оптических системах.
Связанные процессы.
Связанные процессы – это когда среда имеет линейный отклик на воздействие света, но на свойства вещества оказывают влияние совершенно другие факторы. Например:
- Электрооптический эффект Поккельса, где показатель преломления является зависимым от напряженности имеющегося электрического поля. Он широко используется в электрооптических модуляторах;
- Акустооптика – это показатель преломления в акустооптических системах, который изменяется под воздействием существующего в среде гиперзвуковых и ультразвуковых акустических волн. Часто данный эффект используется в акустооптических модуляторах;
- Эффект Коттона-Мутона;
- Магнитооптический эффект Фарадея;
- Комбинационное рассеяние (рамановское), которое является взаимодействием оптических фононов с фотонами;
- Электрогирация.
Процессы с изменением частоты.
Наиболее часто используемым процессом с изменением частот является генерация второй гармоники. Данное явление применяется для изменения выходного излучения лазера: Nd:YAG лазера (1064 нм) или лазера на сапфире, легированного титаном (800 нм) в осязаемое, с длиной волн 532 нм (зеленое) или 400 нм (фиолетовое), соответственно.
На практике для того, чтобы удвоить частоту света в выходной пучок лазерного излучения ставится нелинейный оптический кристалл, который для этого ориентирован строго определенным образом. Как правило, используются кристаллы Бета-бората бария (ВВО), KH2PO4, KTiOPO4, ниобат лития LiNbO3. Данные кристаллы обладают всеми необходимыми свойствами, способными удовлетворить требования синхронизма, имеющие особую кристаллическую симметрию, а также являются прозрачными в данной области спектра и устойчивы к лазерному излучению высокой интенсивности. Но есть и органические полимерные материалы, которые, возможно, в некотором будущем смогут позволить вытеснить часть кристаллов, если окажутся более дешевыми в производстве, надежными в эксплуатации или же начнут требовать более низких напряженностей полей для появления нелинейных эффектов.
Теория.
Огромное количество явлений нелинейной оптики вполне могут быть объяснены, как процессы с изменением частот. Если же наведенные дипольные моменты в веществе немедленно отслеживают все изменения приложенного электрического поля, то диэлектрическая поляризация (дипольный момент на единицу объема) P(t) в момент времени t в среде записан в виде ряда по степеням E:
P(t) = X^(1)E(t) + X^(2)E^2(t) + ...
В данной формуле коэффициент x(n) является восприимчивостью среды n-го порядка. Для всех трехволновых процессов член второго порядка является важным. Если среда обладает симметрией относительно инверсии, то этот член равен нулю.
