La óptica no linear (NLO) del es la rama de la óptica que describe el comportamiento de la luz en los medios no lineares, es decir, los medios del en los cuales el dieléctrico P de la polarización responde nonlinearly al E del campo eléctrico de la luz. Esta ausencia de linealidad se observa típicamente solamente en las intensidades de luz muy altas tales como ésos proporcionados por los lasers pulsados

La óptica no linear da lugar a un anfitrión de fenómenos ópticos:

Procesos de mezcla de la frecuencia

Generación en segundo lugar armónica (SHG), o frecuencia del que dobla, generación de luz con una frecuencia doblada (mitad de la longitud de onda);
La generación (SFG), generación de la frecuencia de la suma de luz con una frecuencia que sea la suma de dos otras frecuencias (SHG es un caso especial de esto);
Tercera generación armónica (THG), generación de luz con una frecuencia triplicada (una mitad de la longitud de onda) (hecha generalmente en dos pasos: SHG siguió por SFG de la original y frecuencia-dobló ondas);
Generación (DFG), generación de la frecuencia de la diferencia de luz con una frecuencia que es la diferencia entre dos otras frecuencias;
Amplificación paramétrica, amplificación de una entrada de señal en presencia de una onda de la bomba de la alto-frecuencia, al mismo tiempo generando una onda de la rueda loca del (puede ser considerado como DFG);
Oscilación paramétrica, generación de una señal y una onda más ociosa usar un amplificador paramétrico en un resonador (sin entrada de señal);
Generación paramétrica, como la oscilación paramétrica pero sin un resonador, usar un aumento muy alto en lugar de otro;
Conversión paramétrica espontánea (SPDC), la amplificación abajo de las fluctuaciones del vacío en el régimen bajo del aumento;
Rectificación óptica, generación de campos eléctricos quasiestáticos.
el Cuatro-agita de mezcla (FWM), puede también presentarse de otras ausencias de linealidad.

Otros procesos no lineares

Efecto de Kerr óptico, índice de refracción dependiente de la intensidad; Uno mismo-que enfoca ;
Kerr-lente modelocking (KLM).
modulación (SPM), un $\backslash \; un\; efecto\; de\; la\; Uno\; mismo-fase\; del\; chi^\; \{(3)\}$.
Solitons ópticos
modulación (XPM) de la Cruz-fase;
el Cuatro-agita de mezcla (FWM), puede también presentarse de otras ausencias de linealidad.
Amplificación de Raman,
Conjugación óptica de la fase.
Brillouin que dispersa, interacción de fotones con fonones acústicos; Conjugación óptica de la fase.
absorción del Dos-fotón, absorción simultánea de dos fotones, transfiriendo la energía a un solo electrón;
Fotoionización múltiple, retiro cercano-simultáneo de muchos electrones encuadernados por un fotón.
Caos en los sistemas ópticos

Procesos relacionados

En estos procesos, el medio tiene una respuesta linear a la luz, pero las características del medio son afectadas por otras causas:
El efecto de Pockels, el índice de refracción es afectado por un campo eléctrico estático; utilizado en los moduladores electrópticos
La acustoóptica, el índice de refracción es afectada por las ondas acústicas (ultrasonido); utilizado en los moduladores acustópticos
Raman que dispersa, interacción de fotones con los fonones ópticos

procesos de Frecuencia-mezcla

Uno de los procesos de frecuencia-mezcla más de uso general es frecuencia del que dobla o la generación segundo-armónica. Con esta técnica, los 1064 nanómetro hicieron salir del Nd: Los lasers o los 800 nanómetro de YAG hicieron salir del Ti: los lasers del zafiro se pueden convertir a la luz visible, con longitudes de onda de 532 nanómetro (verde) o 400 nanómetro (violeta), respectivamente.

Prácticamente, frecuencia-doblando es realizado colocando un cristal especial en un de rayo láser bajo ángulo bien elegido. Los cristales de uso general son BBO (borato β-barium), KDP (fosfato de biácido del potasio ), KTP (fosfato del titanilo del potasio), y el niobato del litio. Estos cristales tienen las características necesarias de ser fuerte el birrefringente (necesario obtener emparejar de fase, ver abajo), del tener una simetría cristalina específica y por supuesto de ser transparentes para y resistentes contra la luz laser de alta intensidad. Sin embargo, los materiales poliméricos orgánicos se fijan para asumir el control de cristales como son más baratos hacer, tienen voltajes de una impulsión más baja y funcionamiento superior.

Teoría

¡Espectroscopia mediados de-infrarroja del femtosegundo del water" (2002). --> Un número de fenómenos ópticos no lineares se pueden describir como procesos de frecuencia-mezcla. Si los momentos de dipolo inducidos del material responden instantáneamente a un campo eléctrico aplicado, el $P\; dieléctrico\; de\; la\; polarización\; (momento\; de\; dipolo\; por\; volumen\; de\; unidad)\; (t)$ en el tiempo $t$ en un medio se puede escribir como serie de energía en el campo eléctrico: $P\; del$

l (t) \ propto \ chi^ {(1)} E (t) + \ chi^ {(2)} E^2 (t) + \ chi^ {(3)} E^3 (t) + \ cdots.

Aquí, el $de\; los\; coeficientes\; \backslash \; el\; chi^\; \{(n)\}$ son las susceptibilidades de la orden de $n$-th del medio. Para cualquie tres-agitar el proceso de mezcla, el término second-order es crucial; es solamente diferente a cero en los medios que no tienen ninguna simetría de la inversión. Si escribimos $E\; del$

l (t) = e^ E_1 {i \ omega_1 t} + e^ E_2 {i \ omega_2 t} + {\ rm c.} ,

donde c. denota la conjugación ( E ₁ y E ₂ del complejo que es las vigas de incidente del interés), el término second-order adentro leerá $P^\; del$

l {(2)} e^ de (t) \ del propto \ de la suma \ chi^ {(2)} n_0 E_1^ {n_1} E_2^ {n_2} {i (m_1 \ omega_1 + m_2 \ omega_2) t} + {\ rm c.} ,

donde está la adición encima $del$

l (n_0, n_1, n_2, m_1, m_2) = (1.

El $de\; seis\; combinaciones\; (n\_x,\; m\_x)$ corresponde, respectivamente, al segundo armónico de $E\_1$, al segundo armónico de $E\_2$, a las señales óptico rectificadas de $E\_1$ y de $E\_2$, a la frecuencia de la diferencia, y a la frecuencia de la suma. Un medio que es bombeado así por los campos $E\_1$ y $E\_2$ irradiará un campo $E\_3$ con un $\backslash \; omega\_3\; =\; m\_1\; \backslash \; omega\_1\; +\; m\_2\; \backslash \; omega\_2$ de la frecuencia angular.

Nota: en esta descripción, el $\backslash \; el\; chi^\; \{(2)\}$ es un escalar. En realidad, el $\backslash \; el\; chi^\; \{(2)\}$ es un tensor cuyos componentes dependen de la combinación de frecuencias.

La generación y la amplificación paramétricas es una variación de la generación de la frecuencia de la diferencia, donde está mucho más débil (amplificación paramétrica) o totalmente ausente la bajo-frecuencia una de los dos campos de generación (generación paramétrica). En el 3ultimo caso, la incertidumbre quántum-mecánica fundamental en el campo eléctrico inicia el proceso.

El emparejar de fase

El antedicho no hace caso de la dependencia de la posición de los campos eléctricos. En una situación típica, los campos eléctricos son ondas que viajan descritas cerca $E\_j\; del$

l (\ mathbf {x}, t) = e^ {i (\ omega_j t - \ _j \ cdot \ mathbf del mathbf {k} {x})},

en posición $\backslash \; mathbf\; \{x\}$, con onda vector $\backslash \; mathbf\; \{k\}\; \_j\; =\; n\; (\backslash )\; \backslash \; omega\_j/c$ del omega_j, donde está la velocidad $c$ de la luz y del $n\; (\backslash \; omega\_j)$ índice de refracción del medio en el $\backslash \; omega\_j$ de la frecuencia angular. Así, el $second-order\; \backslash \; omega\_3$ de la frecuencia angular de la polarización es $P^\; del$

l {(2)} (\ mathbf {x}, t) \ e^ del propto E_1^ {n_1} E_2^ {n_2} {i (\ omega_3 t - (m_1 \ mathbf {k}) _2 \ cdot \ mathbf de _1 + de m_2 \ del mathbf {k} {x})}.

En cada posición $\backslash \; mathbf\; \{x\}$, oscilando second-order polarización irradia en angular frecuencia $\backslash \; omega\_3$ y correspondiendo onda vector $\backslash \; mathbf\; \{k\}\; \_3\; =\; n\; (\backslash \; omega\_3)\; \backslash \; omega\_3/c$. Interferencia constructiva, y por lo tanto un campo de intensidad alta del $\backslash \; omega\_3$, ocurrirán solamente si $del$

l \ mathbf {k} _3 = m_1 \ mathbf {k} _1 + m_2 \ mathbf {k} _2.

La ecuación antedicha se conoce como la condición el emparejar de fase del . Típicamente, tres-agitar la mezcla se hace en un material cristalino birrefringente (es decir, el índice de refracción depende de la polarización y de la dirección de la luz que pasa a través.), donde las polarizaciones de los campos y la orientación del cristal se elige tales que la condición fase-que empareja está satisfecha. Se llama esta técnica el emparejar de fase adaptación del ángulo. Un cristal tiene típicamente tres hachas, una cuyo tiene un diverso índice de refracción que los otros. Este eje se llama (e) el eje extraordinario, mientras que los otros dos son las hachas del ordinario (o). Hay varios esquemas de elegir las polarizaciones. Si la señal y la rueda loca tienen la misma polarización, se llama " Tipo-Yo fase-matching", y si sus polarizaciones son perpendiculares, se llama " Tipo-Ii fase-matching". Sin embargo, otras convenciones existen que especifican más lejos que la frecuencia tiene qué polarización concerniente al eje cristalino. Estos tipos son mencionados abajo, con la convención que la longitud de onda de la señal es más corta que la longitud de onda más ociosa.

Mezcla Higher-order de la frecuencia

Los asimientos antedichos para los procesos del $\backslash \; del\; chi^\; \{(2)\}$. Puede ser extendido para los procesos donde está diferentes a cero el $\backslash \; el\; chi^\; \{(3)\}$, algo que es generalmente verdad en cualquier medio sin ningunas restricciones de la simetría. la generación Tercero-armónica es un proceso del $\backslash \; del\; chi^\; \{(3)\}$, aunque en usos del laser, él se ejecuta generalmente como proceso de dos etapas: primero la frecuencia fundamental del laser se dobla y entonces las frecuencias dobladas y fundamentales se agregan en un proceso de la suma-frecuencia. El efecto de Kerr se puede describir como un $\backslash \; chi^\; \{(3)\}$ también.

En las altas intensidades la serie de Taylor, que llevó la dominación de las órdenes más bajas, no converge más y en lugar de otro un modelo basado del tiempo se utiliza. Cuando un átomo del gas noble es golpeado por un pulso intenso del laser, que tiene una fuerza de campo eléctrico comparable al campo del culombio del átomo, el electrón exterior se puede ionizar del átomo. Una vez que está liberado, el electrón se puede acelerar por el campo eléctrico de la luz, primero moviéndose lejos del ion, después trasero hacia él como la dirección de los cambios del campo. El electrón puede entonces recombinar con el ion, lanzando su energía bajo la forma de fotón. La luz se emite en cada pico del campo de la luz laser que es bastante intenso, produciendo una serie de flashes ligeros de Attosecond . Las energías del fotón generadas por este proceso pueden prolongar pasado la 800a orden armónica hasta el eV 1300 . Esto se llama la generación armónica de categoría alta del . El laser debe ser polarizado linear, de modo que el electrón vuelva a la vecindad del ion del padre. La generación armónica de categoría alta se ha observado en jets de gas noble, células, y guías de onda capilares de gas.

¡Conjugation< óptico de la fase! -- Esta sección se liga de la olografía -->

Es posible, usar procesos ópticos no lineares, invertir exactamente la dirección de la propagación y la variación de fase de un haz de luz. La viga invertida se llama una viga de la conjugación del, y la técnica se sabe así mientras que la conjugación óptica de la fase del (también llamada la revocación de tiempo del, la revocación del frente de onda del y el retroreflection ).

Uno puede interpretar esta interacción óptica no linear como siendo análogo a un proceso olográfico en tiempo real . En este caso, las vigas que obran recíprocamente obran recíprocamente simultáneamente en un material óptico no linear para formar un holograma dinámico (dos de las tres vigas entradas), o patrón de difracción en tiempo real, en el material. La tercera viga de incidente difracta de este holograma dinámico, y, en el proceso, lee hacia fuera fase-conjuga la onda. En efecto, las tres vigas de incidente obran recíprocamente (esencialmente) simultáneamente para formar varios hologramas en tiempo real, dando por resultado un sistema de salida difractada agitan esa fase para arriba como el " tiempo-reversed" viga. En la lengua de la óptica no linear, el obrar recíprocamente emite resultado en una polarización no linear dentro del material, que coherente irradia para formar fase-conjuga la onda.

La manera más común de producir la conjugación óptica de la fase es utilizar cuatro-agita técnica de mezcla, aunque es también posible utilizar procesos tales como dispersión estimulada de Brillouin. Un dispositivo que produce el efecto de la conjugación de la fase se sabe como un espejo de la conjugación de la fase (PCM).

Para cuatro-agitar la técnica de mezcla, nosotros puede describir cuatro vigas ( j = 1.4) con los campos eléctricos:

$\backslash \; Xi\_j\; (\backslash \; mathbf\; \{x\},\; t)\; =\; \backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\}\; E\_j\; (\backslash \; mathbf\; \{x\})\; e^\; \{i\; (\backslash \; omega\_j\; t\; -\; \backslash \; mathbf\; \{\}\; \backslash \; cdot\; \backslash \; mathbf\; \{x\}\; de\; k)\}\; +\; \backslash \; mbox\; \{c.\}$

donde está las amplitudes el E_j del campo eléctrico. Se saben Ξ₁ y Ξ₂ como las dos ondas de la bomba, con Ξ₃ siendo la onda de la señal, y Ξ₄ que es la onda conyugal generada.

Si la bomba agita y la onda de la señal se sobrepone en un medio con un χ⁽³⁾ diferente a cero, ésta produce un campo no linear de la polarización: = \ epsilon_0 \ chi^ {(3)} (\ Xi_1 + \ Xi_2 + \ Xi_3) ^3 del $P\_\; del$

l {\ mbox {NL}}

dando por resultado la generación de ondas con las frecuencias dadas por el ω = el ±ω₁ ±ω₂ ±ω₃ además de la tercera generación armónica agita con el ω = 3ω₁, 3ω₂, 3ω₃.

Como arriba, la condición fase-que empareja determina cuáles de estas ondas son las dominantes. Eligiendo condiciona tales que el ω = ω₁ + ω₂ - ω₃ y el k = el k ₁ + el k ₂ - el k ₃, éste da un campo de la polarización:

$P\_\; \backslash \; Omega\; =\; \backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\}\; \backslash \; chi^\; \{(3)\; +\; \backslash \; mbox\; \{c.\}$ del e^} \ epsilon_0 E_1 E_2 E_3^* {i (\ Omega t - \ mathbf {} \ cdot \ mathbf {x} de k)}.

Éste es el campo de generación para la viga de la conjugación de la fase, Ξ₄. Su dirección es dada por el k ₄ = el k ₁ + el k ₂ - k ₃, y tan si las dos vigas de la bomba counterpropagating (el k ₁ = - el k ₂), después las vigas de la conjugación y de la señal propagar en las direcciones opuestas ( k ₄ = - el k ₃). Esto da lugar a la característica retroreflecting del efecto.

Además, puede ser demostrado para un medio con el n del índice de refracción y un l de la longitud de la interacción de la viga, la amplitud del campo eléctrico de la viga conyugal se aproxima cerca

$E\_4\; =\; \backslash \; frac\; \{i\; \backslash \}\; \backslash \; chi^\; \{(3)\}\; E\_1\; E\_2\; E\_3^*$ de Omega l} {2 n c

(donde está la velocidad el c de la luz). Si el E ₁ de las vigas de la bomba y el E ₂ son ondas (counterpropagating) planas, entonces:

$E\_4\; (\backslash )\; \backslash \; propto\; E\_3^*\; (\backslash \; mathbf\; \{x\})$ del mathbf {x};

es decir, la amplitud generada de la viga es la conjugación compleja de la amplitud de la viga de la señal. Puesto que la parte imaginaria de la amplitud contiene la fase de la viga, ésta da lugar a la revocación de la característica de la fase del efecto.

Observar que el constante de la proporcionalidad entre la señal y conjugar las vigas puede ser mayor de 1. Esto es con eficacia un espejo con un coeficiente de reflexión mayor de 100%, produciendo una reflexión amplificada. La energía para esto viene de las dos vigas de la bomba, que son agotadas por el proceso.

La frecuencia de la onda conyugal puede ser diferente de la de la onda de la señal. Si las ondas de la bomba están de frecuencia ω₁ = ω₂ = ω, y de la onda de la señal más arriba en frecuencia tales que ω₃ = ω + Δω, después la onda conyugal está de frecuencia ω₄ = ω - Δω. Esto se conoce como frecuencia del que mueve de un tirón .

Materiales comunes de SHG

luz de 806 nanómetro: Yodado (LiIO₃) del litio
luz de 860 nanómetro: Niobato (KNbO₃) del potasio
luz de 980 nanómetro: KNbO₃
luz de 1064 nanómetro: Fosfato monopotásico (KH₂PO₄, KDP), triborate (LBO) del litio y borato (BBO) β-barium.
luz de 1300 nanómetro: GaSe
luz de 1319 nanómetro: KNbO₃, BBO, KDP, fosfato (KTP) del titanilo del potasio, niobato (LiNbO₃) del litio, LiIO₃, y fosfato de biácido del amonio (ADP)

Ver también

Acción Nata-Infeld
Propagación del filamento
: Categoría: Materiales ópticos no lineares
Generación armónica

Referencias y notas

Conjugación de la fase

Americano científico, el diciembre de 1985, " del ; Conjugación de la fase, " por Vladimir Shkunov y Boris Zel'dovich.
Americano científico, el enero de 1986, " del ; Usos de la conjugación óptica de la fase, " por la pimienta de David M.
Americano científico, el octubre de 1990, " del ; El efecto de Photorefractive, " por la pimienta de David M., Gato Feinberg, y Nicolás V.

Zenithic

City Baths, Melbourne

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