Netiesinė optika

KDP monokristalas. KDP kristaluose pasireiškia antros eilės optinis netiesiškumas – antrosios harmonikos generacija.

Netiesinė optika – optikos šaka, nagrinėjanti šviesos sklidimą netiesinėse medžiagose, turinčiose netiesinį dielektrinės poliarizacijos atsaką į išorinį elektromagnetinio lauką (šviesą). Netiesinės optikos reiškiniai dažniausiai pasireiškia esant labai dideliems šviesos lauko intensyvumams, todėl ši mokslo sritis pradėjo vystytis 1960 m. išradus lazerį.

Netiesinės optikos pradžia

Netiesinė optikos nagrinėjimo pradžia siejama su lazerio sukūrimu. 1961 m. P. A. Franken su bendraautoriais iš Mičigano universiteto pademonstravo antrosios harmonikos generaciją su rubino lazeriu.

Netiesinis jautris

Elektromangnetinių bangų poveikis medžiagai priklauso nuo medžiagos poliarizuotumo. Poliarizuotumą, esant stipriam elektriniam laukui, galime užrašyti:

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

Čia $\chi ^{(n)}$ – n-osios eilės medžiagos elektrinis jautris. Trečios eilės netiesinis jautris maždaug septyniomis eilėmis mažesnis už antros eilės netiesinį jautrį. Dar aukštesnės eilės jautriai yra nykstamai maži, todėl netiesinės optikos reiškinių aprašyme pasiribojama tik kvadratinio ir kubinio netiesiškumo jautriais. Poliarizuotumo formulę galime parašyta supaprastintai, atskiriant tiesinės ir netiesinės poliarizuotumo narius:

$P(t)\propto P_{T}(t)+P_{2}(t)+P_{2}(t)+\cdots \propto P_{T}+P_{N}T.$

Esant silpnam elektriniam laukui, medžiagos poliarizuotumas tiesiškai priklausys nuo išorinio elektrinio lauko. Tačiau kai išorinio elektrinio lauko stipris taps palyginamas su elektrono kuriamu elektrinio lauko stipriu, pasireišks netiesiniai poliarizuotumo nariai, sukeliantys įvairius netiesinius optinius reiškinius.

Netiesiniai kristalai

Kaip minėta, netiesinis poliarizacinis atsakas pasireiškia, kai išorinis elektrinis laukas tampa palyginamas su vidiniu elektronų kuriamu elektriniu lauku. Stiprus šviesos laukas iškreipia elektronų potencinį lauką. Izotropinių medžiagų ar kristalų, turinčių centrinę simetriją potencinis laukas iškreipiamas simetriškai, todėl šių medžiagų poliarizacija aprašoma tik nelyginio laipsnio elektrinio lauko nariais – joms lyginiai netiesiniai jautriai yra lygūs nuliui. Šios medžiagos (pvz., oras, vanduo, stiklai) yra vadinamos kubinio netiesiškumo medžiagomis.

Kvadratinės eilės jautris nėra lygus nuliui tik tam tikruose kristaluose, neturinčiuose centrinės simetrijos. Iš 32 simetrijos klasių 21 klasė neturi centrinės simetrijos. Tačiau palyginę kristalų kiekį galime pasakyti, kad kvadratinių kristalų tėra labai nedidelė visų kristalų dalis. Kvadratinio netiesiškumo kristalus galima suskirstyti į fosfidus (KDP, ADP, KTP), boratus (BBO, LBO), neobatus ($LiNbO_{3}$) bei kitus kristalus.

Netiesiniai optiniai reiškiniai

Pagal reiškinių prigimtį intensyviems lazerio impulsams sąveikaujant su medžiaga vykstantys reiškiniai skirtomi į kvadratinio netiesiškumo, kubinio netiesiškumo reiškinius, netiesines sklaidas, netiesinę sugertį. Pagal sąveikoje dalyvaujančių fotonų skaičių reiškiniai skirstomi į dvibangius (netiesinės sklaidos), tribangius (kvadratinio netiesiškumo reiškiniai) bei keturbangius (kubinio netiesiškumo reiškiniai).

Kvadratinio netiesiškumo reiškiniai:

• Antrosios harmonikos generacija
• Suminio dažnio generacija
• Skirtuminio dažnio generacija
• Parametrinė šviesos generacija
• Parametrinis šviesos stiprinimas

Kubinio netiesiškumo reiškiniai:

• Trečiosios harmonikos generacija
• Keturbangis dažnių maišymas
• Fazinis moduliavimasis
• Fokusavimasis
• Kryžminė moduliacija

Priverstinės sklaidos:

• Priverstinė Ramano sklaida
• Priverstinė Brijueno sklaida
• Priverstinė Relėjaus sklaida
• Priverstinė Relėjaus sparno sklaida

Netiesinė sugertis:

• Dvifotonė sugertis

Ekstremalioji netiesinė optika:

• Aukštos eilės harmonikų generacija