Ikke-lineær optik
Ikke- lineær optik er en gren af optik , der studerer et sæt optiske fænomener observeret under interaktionen af lysfelter med et stof , der har en ikke- lineær respons fra polarisationsvektoren til vektoren af lysbølgens elektriske feltstyrke . I de fleste stoffer observeres denne ikke-linearitet kun ved meget høje lysintensiteter , opnået med lasere . Det er sædvanligt at betragte både interaktionen og selve processen for at være lineær, hvis dens sandsynlighed er proportional med den første potens af strålingsintensiteten. Hvis denne grad er større end én, så kaldes både interaktionen og processen ikke-lineær. Således opstod begreberne lineær og ikke-lineær optik. I ikke-lineær optik er princippet om superposition ikke opfyldt [1] [2] [3] .
Fremkomsten af ikke-lineær optik er forbundet med udviklingen af lasere, der kan generere lys med et stort elektrisk felt, der kan sammenlignes med styrken af det mikroskopiske felt i atomer.
De vigtigste årsager til forskelle i virkningen af højintensitetsstråling fra lavintensitetsstråling på stof: [4]
- Ved høj strålingsintensitet spilles hovedrollen af multifotonprocesser, når flere fotoner absorberes i en elementær begivenhed.
- Ved høj strålingsintensitet opstår der selvvirkende effekter, hvilket fører til en ændring i stoffets oprindelige egenskaber under påvirkning af stråling.
Ikke- lineær optik omfatter en række fysiske fænomener:
Historie
Den første forudsagte ikke-lineære optiske effekt var to-foton absorption af Maria Goeppert-Mayer , som modtog sin ph.d. i 1931. Nogle ikke-lineære effekter blev opdaget allerede før oprettelsen af laseren [5] . Det teoretiske grundlag for mange ikke-lineære processer blev først beskrevet i Blombergens monografi "Ikke-lineær optik" [6] .
Multifoton processer (processer med frekvensændring)
- Anden harmonisk generation , eller fordobling af frekvensen af lys , som er generering af lys med dobbelt frekvens og halveret bølgelængde;
- Tilføjelsen af lysfrekvenser er genereringen af lys med en frekvens svarende til summen af frekvenserne af to andre lysbølger. Frekvensfordobling er et særligt tilfælde af dette fænomen;
- Generering af den tredje harmoniske - generering af lys med en tredobbelt frekvens. Normalt er det en kombination af de to foregående fænomener: først fordobles frekvensen, og derefter tilføjes frekvenserne af den oprindelige bølge og den frekvens-doblede bølge;
- Differencefrekvensgenerering - generering af lys med en frekvens svarende til frekvensforskellen af to andre lysbølger.
- Parametrisk forstærkning af lys - forstærkning af input (signal) lysstråle i nærvær af en højere frekvens pumpebølge, med samtidig dannelse af en tomgangsbølge ;
- Parametrisk oscillation - generering af et signal og en tomgangsbølge ved hjælp af en parametrisk forstærker i en resonator (uden en indgangsstråle);
- Parametrisk lysgenerering ligner parametrisk oscillation, men der er ingen resonator. I stedet bruges stærk lysforstærkning;
- Spontan parametrisk spredning - et fald i frekvensen af lys, når det passerer gennem en ikke-lineær optisk krystal;
- Elektro-optisk polarisering ( optisk ensretning ) er processen med at generere et konstant elektrisk felt, når lys passerer gennem et stof;
- Fire-bølge interaktion ;
- Selvinduceret gennemsigtighed er et fænomen med et kraftigt fald i energitab under passagen af ultrakorte monokromatiske strålingsimpulser gennem et resonansmedium.
Andre ikke-lineære fænomener
- Optisk Kerr-effekt , som er brydningsindeksets afhængighed af lysets intensitet;
- Selvfokus , Selvdefokusering ;
- Selvfasemodulering ;
- Moduslåsning baseret på Kerr-effekten (KLM);
- Frekvens selvmodulation af ultrakorte lysimpulser;
- Optiske solitoner ;
- Interfasemodulation ;
- Fire-bølge interaktion ;
- Generering af en ortogonalt polariseret bølge er virkningen af fremkomsten af en bølge med en polarisering vinkelret på den oprindelige bølges polarisationsvektor;
- Få Raman ;
- Optisk fasekombination.
- Mandelstam-Brillouin spredning , som er vekselvirkningen mellem optiske fotoner og akustiske fononer ;
- To-foton absorption - samtidig absorption af to fotoner, der overfører deres samlede energi til en elektron ;
- Multipel fotoionisering , en kvasi-samtidig proces med at slå mange bundne elektroner ud med en enkelt foton;
- Kaos i optiske systemer
Relaterede processer
I sådanne processer har mediet en lineær reaktion på lys, men andre faktorer påvirker stoffets egenskaber. Eksempler er:
- Elektro -optisk Pockels- effekt , hvor brydningsindekset afhænger af styrken af det påførte elektriske felt. Anvendes i elektro-optiske modulatorer;
- Akusto-optik . Brydningsindekset i akusto-optiske systemer ændres under påvirkning af ultra- og hypersoniske akustiske bølger, der udbreder sig i et medium. Effekten finder anvendelse i akusto-optiske modulatorer ;
- Raman-spredning (Raman) , som er vekselvirkningen mellem fotoner og optiske fononer ;
- Magneto -optisk Faraday-effekt ;
- Bomuld-Mouton effekt ;
- Elektrogyrering .
Frekvensændrende processer
En af de mest almindeligt anvendte frekvensskiftende processer er anden harmonisk generation . Dette fænomen gør det muligt at omdanne udgangsstrålingen fra en Nd:YAG -laser (1064 nm) eller en titanium-doteret safirlaser (800 nm) til synlig stråling med bølgelængder på 532 nm (grøn) eller 400 nm (violet), henholdsvis.
I praksis, for at implementere en fordobling af lysets frekvens, installeres en ikke-lineær optisk krystal i udgangsstrålen af laserstråling, orienteret på en strengt defineret måde. Typisk anvendes krystaller af barium-β-borat ( BBO), KH2PO4 ( KDP ), KTiOPO4 ( KTP ) og lithiumniobat LiNbO3 . Disse krystaller har de nødvendige egenskaber, der opfylder synkroniseringsbetingelserne (se nedenfor), har en speciel krystalsymmetri, er gennemsigtige i dette område af spektret og er modstandsdygtige over for laserstråling med høj intensitet. Der er dog organiske polymere materialer, som måske i fremtiden vil kunne fortrænge nogle af krystallerne, hvis de er billigere at fremstille, mere pålidelige eller kræver lavere feltstyrker for ikke-lineære effekter.
Teori
En lang række fænomener i ikke-lineær optik kan beskrives som processer med frekvensblanding. Hvis de inducerede dipolmomenter i et stof straks sporer alle ændringer i det påførte elektriske felt, så kan den dipolarisering (dipolmoment pr. volumenenhed) på et tidspunkt i mediet skrives som en effektrække :
Her er koefficienten den ikke-lineære susceptibilitet af mediet i th orden. For enhver tre-bølge proces er anden ordens term nødvendig. Hvis mediet har inversionssymmetri , er dette udtryk nul.
Noter
- ↑ Boyd, Robert. ikke-lineær optik. — 3. - Academic Press, 2008. - ISBN 978-0-12-369470-6 .
- ↑ Shen, Yuen-Ron. Principperne for ikke-lineær optik. - Wiley-Interscience, 2002. - ISBN 978-0-471-43080-3 .
- ↑ Agrawal, Govind. ikke-lineær fiberoptik. — 4. - Academic Press, 2006. - ISBN 978-0-12-369516-1 .
- ↑ Voronov V.K., Podoplelov A.V. Modern physics: Lærebog. - M .: KomKniga, 2005, 512 s., ISBN 5-484-00058-0 , kap. 1 Ikke-lineær optik.
- ↑ Lewis, Gilbert N.; Lipkin, David; Magel, Theodore T. (november 1941). "Reversible fotokemiske processer i stive medier. En undersøgelse af den fosforescerende tilstand." Journal of the American Chemical Society []. 63 (11): 3005-3018. doi : 10.1021/ ja01856a043 .
- ↑ Bloembergen, Nicolaas. ikke-lineær optik. - 1965. - ISBN 978-9810225995 .
Litteratur
- Drozdov A. A., Kozlov S. A. Grundlæggende om ikke-lineær optik. - Sankt Petersborg. : ITMO University, 2021. - 69 s.
 Ordbøger og encyklopædier | ||||
|---|---|---|---|---|
| ||||
| Udsnit af optik | |
|---|---|
| |
| Relaterede anvisninger | |