Нелінейная оптыка

Нелінейная оптыка — раздзел оптыкі, у якім даследуюць сукупнасць аптычных з'яў, якія назіраюцца пры ўзаемадзеянні светлавых палёў з рэчывам, у якога маецца нелінейная рэакцыя вектара палярызацыі ${\vec {P}}$ на вектар напружанасці электрычнага поля ${\vec {E}}$ светлавой хвалі. У большасці рэчываў дадзеная нелінейнасць назіраецца толькі пры вельмі высокай інтэнсіўнасці святла, дасяганых пры дапамозе лазераў. Прынята лічыць як узаемадзеянне, так і сам працэс лінейнымі, калі яго верагоднасць прапарцыйная першай ступені інтэнсіўнасці выпраменьвання. Калі гэтая ступень больш адзінкі, то як узаемадзеянне, так і працэс называюцца нелінейным. Такім чынам паўсталі тэрміны лінейная і нелінейная оптыка.

З'яўленне нелінейнай оптыкі звязана з распрацоўкай лазераў, якія могуць генераваць святло з вялікай напружанасцю электрычнага поля, сумернай з напружанасцю мікраскапічнага поля ў атамах.

Асноўныя прычыны, якія выклікаюць адрозненні ва ўздзеянні выпраменьвання вялікай інтэнсіўнасці ад выпраменьвання малой інтэнсіўнасці на рэчыва:

1. Пры вялікай інтэнсіўнасці выпраменьвання галоўную ролю гуляюць шматфатонныя працэсы, калі ў элементарным акце паглынаецца некалькі фатонаў.
2. Пры вялікай інтэнсіўнасці выпраменьвання ўзнікаюць эфекты самаўзаемадзеяння, якія прыводзяць да змены зыходных уласцівасцей рэчывы пад уплывам выпраменьвання.

Да нелінейнай оптыцы адносяць цэлы шэраг фізічных з'яў:

Шматфатонныя працэсы (працэсы з змяненнем частот)

• Генерацыя другой гармонікі, або падваенне частаты святла, якое з'яўляецца генерацыяй святла з падвоенай частатой і паменшанай удвая даўжынёй хвалі;
• Складанне частот святла — генерацыя святла з частатой, роўнай суме частот двух іншых светлавых хваляў. Падваенне частоты з'яўляецца прыватным выпадкам дадзенай з'явы;
• Генерацыя трэцяй гармонікі — генерацыя святла з патроенай частатой. Звычайна з'яўляецца камбінацыяй двух папярэдніх з'яў: спачатку адбываецца падваенне частоты, а затым складанне частот зыходнай хвалі і хвалі з падвоенай частатой;
• Генерацыя рознаснай частаты — генерацыя святла з частатой, роўнай рознасці частот двух іншых светлавых хваляў.
• Параметрычнае ўзмацненне святла — узмацненне ўваходнага (сігнальнага) светлавога пучка ў прысутнасці больш высокачашчыннай хвалі накачкі, з адначасовым утварэннем халасты хвалі;
• Параметрычная асцыляцыя — генерацыя сігнальнай і халастой хвалі з выкарыстаннем параметрычнага ўзмацняльніка ў рэзанатары (без уваходнага пучка);
• Параметрычная генерацыя святла — падобная параметрычнай асцыляцыі, аднак рэзанатар адсутнічае. Замест яго выкарыстоўваецца моцнае ўзмацненне святла;
• Спантаннае параметрычнае рассейванне — змяншэнне частоты святла пры яго праходжанні праз нелінейны аптычны крышталь;
• Электрааптычная палярызацыя (аптычнае выпростванне) — працэс генерацыі пастаяннага электрычнага поля пры праходжанні святла праз рэчыва;
• Чатыроххвалевае ўзаемадзеянне.
• Самаіндукаваная празрыстасць — з'ява рэзкага памяншэння страт энергіі пры праходжанні ўльтракароткіх манахраматычнага імпульсаў выпраменьвання

праз рэзанансную асяроддзе.

Іншыя нелінейныя з'явы

• Аптычны эфект Кера, які з'яўляецца залежнасцю паказчыка праламлення ад інтэнсіўнасці святла;
  • Самафакусіроўка, самадэфакусіроўка;
  • Фазавая самамадуляцыя;
  • Сінхранізацыя мод, заснаваная на эфекце Кера (KLM);
  • Частотная самамадуляцыя святла звышкароткіх светлавых імпульсаў;
  • Аптычныя салітоны;
  • Міжфазавая мадуляцыя;
  • Чатыроххвалевае ўзаемадзеянне;
  • Генерацыя артаганальнай палярызаванай хвалі — эфект узнікнення хвалі з палярызацыяй, перпендыкулярнай да вектару палярызацыі ${\vec {E}}$ зыходнай хвалі;
  • Узмацненне Рамана;
  • Аптычнае аб'яднанне фазы.
• Рассейванне Мандэльштама — Брілюэна, якое з'яўляецца ўзаемадзеяннем аптычных фатонаў з акустычнымі фанонаў;
• Двухфатоннае паглынанне — адначасовае паглынанне двух фатонаў, якія перадаюць сваю сумарную энергію аднаму электрону;
• Множныя фотаіёнізацыя, квазіадначасны працэс выбівання мноства звязаных электронаў адным фатонам;
• Хаос у аптычных сістэмах

Працэсы з зменай хвалі

Адным з найбольш часта выкарыстоўваных працэсаў з змяненнем частот з'яўляецца генерацыя другой гармонікі. Гэта з'ява дазваляе пераўтварыць выходнае выпраменьванне лазера Nd: YAG лазера (1064 нм) або лазера на сапфір, легаваны тытанам (800 нм) у бачнае, з даўжынямі хваляў 532 нм (зялёнае) або 400 нм (фіялетавае), адпаведна.

На практыцы для рэалізацыі падваення частоты святла ў выходны пучок лазернага выпраменьвання ўсталёўваюць нелінейны аптычны крышталь, арыентаваны строга пэўным чынам. Звычайна выкарыстоўваюць крышталі β-барату барыю (BBO), KH₂PO₄ (KDP), KTiOPO₄ (KTP) і ніябат літыя LiNbO₃. Гэтыя крышталі маюць неабходныя ўласцівасці, якія задавальняюць умове сінхранізму (гл. ніжэй), маюць асаблівую крышталічную сіметрыю, а таксама з'яўляюцца празрыстымі ў дадзенай вобласці спектру і ўстойлівыя да лазернага выпраменьвання высокай інтэнсіўнасці. Аднак, існуюць арганічныя палімерныя матэрыялы, якія, магчыма, у будучыні змогуць выцесніць частку крышталёў, калі будуць больш танныя ў вырабе, больш надзейныя або будуць патрабаваць больш нізкіх напружанасцей палёў для ўзнікнення нелінейных эфектаў.

Тэорыя

Вялікая колькасць з'яў нелінейнай оптыкі могуць быць апісаны як працэсы са змешваннем частот. Калі наведзеныя дыпольныя моманты ў рэчыве неадкладна адсочваюць усе змены прыкладзенага электрычнага поля, то дыэлектрычная палярызацыя (дыпольны момант на адзінку аб'ёму) $P(t)$ ў момант часу $t$ ў асяроддзі можа быць запісаны ў выглядзе шэрагу па ступенях math> в момент времени $t$ в среде может быть записан в виде ряда по степеням $E$:

$P(t)\propto \chi ^{(1)}E(t)+\chi ^{(2)}E^{2}(t)+\chi ^{(3)}E^{3}(t)+\cdots$

Тут, каэфіцыент $\chi ^{(n)}$ — нелінейная ўспрымальнасць асяроддзя $n$-га парадку.

Літаратура

• Неліне́йная о́птыка // Беларусь: энцыклапедычны даведнік / Рэдкал. Б. І. Сачанка (гал. рэд.) і інш.; Маст. М. В. Драко, А. М. Хількевіч. — Мн.: БелЭн, 1995. — С. 535. — 800 с. — 5 000 экз. — ISBN 985-11-0026-9.
• Нелинейная оптика // Большая советская энциклопедия : ([в 30 т.]) / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд.. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978. (руск.)
• Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. / Главный редактор А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. (руск.)