Óptica no lineal

La óptica no lineal  es una rama de la óptica que estudia un conjunto de fenómenos ópticos observados durante la interacción de campos de luz con una sustancia que tiene una respuesta no lineal del vector de polarización al vector de intensidad de campo eléctrico de la onda de luz . En la mayoría de las sustancias, esta no linealidad se observa solo a intensidades de luz muy altas , logradas con láseres . Se acostumbra a considerar que tanto la interacción como el proceso mismo son lineales si su probabilidad es proporcional a la primera potencia de la intensidad de la radiación. Si este grado es mayor que uno, tanto la interacción como el proceso se denominan no lineales. Así surgieron los términos óptica lineal y no lineal. En óptica no lineal , no se cumple el principio de superposición [1] [2] [3] .

La aparición de la óptica no lineal está asociada con el desarrollo de láseres que pueden generar luz con un gran campo eléctrico, comparable a la fuerza del campo microscópico en los átomos.

Las principales razones que causan diferencias en el efecto de la radiación de alta intensidad de la radiación de baja intensidad en la materia: [4]

1. A alta intensidad de radiación, el papel principal lo desempeñan los procesos multifotónicos, cuando se absorben varios fotones en un evento elemental.
2. A alta intensidad de radiación, surgen efectos de acción propia, lo que lleva a un cambio en las propiedades iniciales de la sustancia bajo la influencia de la radiación.

La óptica no lineal incluye una serie de fenómenos físicos:

Historia

El primer efecto óptico no lineal predicho fue la absorción de dos fotones por Maria Goeppert-Mayer , quien recibió su doctorado en 1931. Algunos efectos no lineales se descubrieron incluso antes de la creación del láser [5] . Los fundamentos teóricos de muchos procesos no lineales se describieron por primera vez en la monografía de Blombergen "Óptica no lineal" [6] .

Procesos multifotónicos (procesos con cambio de frecuencia)

• Segunda generación armónica , o duplicación de la frecuencia de la luz , que es la generación de luz con el doble de frecuencia y longitud de onda reducida a la mitad;
• La suma de frecuencias de luz  es la generación de luz con una frecuencia igual a la suma de las frecuencias de otras dos ondas de luz. La duplicación de frecuencia es un caso especial de este fenómeno;
• Generación del tercer armónico  - generación de luz con triple frecuencia. Suele ser una combinación de los dos fenómenos anteriores: primero se duplica la frecuencia, y luego se suman las frecuencias de la onda original y la onda duplicada en frecuencia;
• Generación de frecuencia diferencial  : generación de luz con una frecuencia igual a la diferencia de frecuencia de otras dos ondas de luz.
• Amplificación paramétrica de la luz  : amplificación del haz de luz de entrada (señal) en presencia de una onda de bombeo de mayor frecuencia, con la formación simultánea de una onda inactiva ;
• Oscilación paramétrica  : generación de una señal y una onda inactiva utilizando un amplificador paramétrico en un resonador (sin haz de entrada);
• La generación de luz paramétrica es similar a la oscilación paramétrica, pero no hay resonador. En su lugar, se utiliza una fuerte amplificación de luz;
• Dispersión paramétrica espontánea  : una disminución en la frecuencia de la luz cuando pasa a través de un cristal óptico no lineal;
• La polarización electro-óptica ( rectificación óptica ) es el proceso de generar un campo eléctrico constante cuando la luz pasa a través de una sustancia;
• interacción de cuatro ondas ;
• La transparencia autoinducida  es un fenómeno de fuerte disminución de las pérdidas de energía durante el paso de pulsos ultracortos de radiación monocromática a través de un medio resonante.

Otros fenómenos no lineales

• efecto Kerr óptico , que es la dependencia del índice de refracción de la intensidad de la luz;
  • Autoenfoque , Autodesenfoque ;
  • Modulación de fase propia ;
  • Bloqueo de modo basado en el efecto Kerr (KLM);
  • Automodulación de frecuencia de pulsos de luz ultracortos;
  • solitones ópticos ;
  • modulación de interfase ;
  • interacción de cuatro ondas ;
  • La generación de una onda polarizada ortogonalmente  es el efecto de la aparición de una onda con una polarización perpendicular al vector de polarización de la onda original;
  • Gana raman ;
  • Combinación de fase óptica.
• la dispersión de Mandelstam-Brillouin , que es la interacción de fotones ópticos con fonones acústicos ;
• Absorción de dos fotones: absorción  simultánea de dos fotones que transfieren su energía total a un electrón ;
• Fotoionización múltiple , un proceso casi simultáneo de eliminar muchos electrones enlazados con un solo fotón;
• Caos en los sistemas ópticos

Procesos relacionados

En tales procesos, el medio tiene una respuesta lineal a la luz, pero otros factores influyen en las propiedades de la sustancia. Los ejemplos son:

• Efecto de Pockels electroóptico , en el que el índice de refracción depende de la fuerza del campo eléctrico aplicado. Utilizado en moduladores electro-ópticos;
• Acústico-óptica . El índice de refracción en los sistemas acústico-ópticos cambia bajo la acción de ondas acústicas ultrasónicas e hipersónicas que se propagan en un medio. El efecto encuentra aplicación en moduladores acústico-ópticos ;
• dispersión Raman (Raman) , que es la interacción de fotones con fonones ópticos ;
• efecto magneto -óptico de Faraday ;
• Efecto Cotton-Mouton ;
• Electrogiro .

Procesos de cambio de frecuencia

Uno de los procesos de cambio de frecuencia más utilizados es la generación de segundo armónico . Este fenómeno permite convertir la radiación de salida de un láser Nd:YAG ( 1064 nm) o un láser de zafiro dopado con titanio (800 nm) en radiación visible, con longitudes de onda de 532 nm (verde) o 400 nm (violeta), respectivamente.

En la práctica, para implementar la duplicación de la frecuencia de la luz, se instala un cristal óptico no lineal en el haz de salida de la radiación láser, orientado de una manera estrictamente definida. Por lo general, se utilizan cristales de β-borato de bario (BBO), KH 2 PO 4 (KDP), KTiOPO 4 (KTP) y niobato de litio LiNbO 3 . Estos cristales tienen las propiedades necesarias para satisfacer la condición de sincronismo (ver más abajo), tienen una simetría de cristal especial, son transparentes en esta región del espectro y son resistentes a la radiación láser de alta intensidad. Sin embargo, hay materiales poliméricos orgánicos que en el futuro pueden desplazar algunos de los cristales si son más baratos de fabricar, más confiables o si requieren intensidades de campo más bajas para efectos no lineales.

Teoría

Una gran cantidad de fenómenos en óptica no lineal pueden describirse como procesos con mezcla de frecuencias. Si los momentos dipolares inducidos en una sustancia rastrean inmediatamente todos los cambios en el campo eléctrico aplicado, entonces la polarización dieléctrica (momento dipolar por unidad de volumen) en un momento en el medio se puede escribir como una serie de potencias :

Aquí, el coeficiente  es la susceptibilidad no lineal del medio del orden th. Para cualquier proceso de tres ondas, el término de segundo orden es necesario. Si el medio tiene simetría de inversión , entonces este término es cero.

Notas

1. ↑ Boyd, Robert. óptica no lineal. — 3er. - Prensa académica, 2008. - ISBN 978-0-12-369470-6 .
2. ↑ Shen, Yuen-Ron. Los principios de la óptica no lineal. - Wiley-Interscience, 2002. - ISBN 978-0-471-43080-3 .
3. ↑ Agrawal, Govind. fibra óptica no lineal. — 4to. - Prensa académica, 2006. - ISBN 978-0-12-369516-1 .
4. ↑ Voronov V.K., Podoplelov A.V. Física moderna: libro de texto. - M .: KomKniga, 2005, 512 p., ISBN 5-484-00058-0 , cap. 1 Óptica no lineal.
5. ↑ Lewis, Gilbert N.; Lipkin, David; Magel, Theodore T. (noviembre de 1941). “Procesos Fotoquímicos Reversibles en Medios Rígidos. Un estudio del estado fosforescente”. Revista de la Sociedad Química Estadounidense []. 63 (11): 3005-3018. doi : 10.1021/ ja01856a043 .
6. ↑ Bloembergen, Nicolaas. óptica no lineal. - 1965. - ISBN 978-9810225995 .

Literatura

• Drozdov A. A., Kozlov S. A. Fundamentos de la óptica no lineal. - San Petersburgo. : Universidad ITMO, 2021. - 69 p.

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