Ottica non lineare e processi ottici: Guida per principianti

L'ottica non lineare o NLO si riferisce al ramo dell'ottica che studia le proprietà della luce in un mezzo non lineare. Nei mezzi non lineari, la densità di polarizzazione (P) interagisce in modo non lineare con il campo elettrico della luce (E). In generale, la non linearità della luce può essere esaminata a intensità di luce estremamente elevate (valori di campi elettrici atomici, solitamente 108 V / m), come prodotta dai laser. Si stima che un vuoto diventi un mezzo non lineare dopo aver superato il limite di Schwinger. Il principio di sovrapposizione non può essere applicato all'ottica non lineare.

Storia dell'ottica non lineare

Maria Goeppert Mayer fu la prima persona ad osservare l'effetto ottico non lineare durante l'assorbimento di due fotoni nel 1931. Tuttavia, questa teoria rimase inesplorata fino al 1961. Nel 1961, i laboratori Bell condussero esperimenti per osservare l'assorbimento di due fotoni. Allo stesso tempo, Peter Franken et al. dell'Università del Michigan ha scoperto la generazione di seconda armonica. Entrambi questi progressi si sono verificati subito dopo che Theodore Maiman ha sviluppato il primo laser. Tuttavia, alcune proprietà dell'ottica non lineare sono state portate alla luce prima della costruzione del laser. La monografia di Bloembergen "ottica non lineare" è stata la prima a descrivere e stabilire la teoria di base per diversi processi di ottica non lineare.

ottica non lineare
I laser con un'elevata intensità ottica possono dare origine a diverse proprietà ottiche non lineari.
Fonte: Pangkakit at Wikipedia cinesePuntatori laserCC BY-SA 3.0

Cosa sono i processi ottici non lineari?

L'ottica non lineare spiega ulteriormente la risposta non lineare di proprietà come polarizzazione, frequenza, lunghezza d'onda, percorso o fase della luce incidente, interazione con diversi mezzi, ecc. Tali interazioni non lineari portano a diversi fenomeni ottici:

Processi di miscelazione della frequenza

· XNUMX€ Generazione di seconda armonica (shg) o raddoppio della frequenza: SHG si riferisce al processo di generazione della luce con una frequenza doppia rispetto alla luce originale (o metà della lunghezza d'onda). In questo processo, due fotoni vengono distrutti per produrre un singolo fotone con frequenza doppia.

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Diagramma del processo SHG. JkwchuiSeconda generazione di armonicheCC BY-SA 3.0

· XNUMX€ Terza armonica di generazione (thg): THG si riferisce al processo di generazione della luce con una frequenza tre volte quella della luce originale (o un terzo della lunghezza d'onda). In questo processo, tre fotoni vengono distrutti per produrre un singolo fotone, essendo triplicata la frequenza.

· XNUMX€ Generazione ad alto armonico (hhg): HHG si riferisce al processo di generazione della luce con frequenze molte volte superiori all'originale (generalmente da 100 a 1000 volte maggiori).

· XNUMX€ Generazione di frequenza di somma (sfg): Il processo di somma di due frequenze separate per generare luce avente la frequenza risultante è chiamato SFG.

· XNUMX€ Generazione di frequenza di differenza (dfg): Il processo di sottrazione di due frequenze separate per generare la frequenza risultante è chiamato DFG.

· XNUMX€ Amplificazione parametrica ottica (opa): OPA si riferisce al processo di amplificazione del segnale in ingresso utilizzando un'onda di pompa a frequenza più alta e creando simultaneamente un'onda folle.

· XNUMX€ Oscillazione parametrica ottica (opo): OPO si riferisce al processo di generazione del segnale e dell'onda folle in un risonatore con l'aiuto di un amplificatore parametrico (senza alcun ingresso di segnale).

· XNUMX€ Generazione parametrica ottica (opg): OPG è simile all'oscillazione parametrica, ma non include un risonatore e incorpora invece un guadagno estremamente elevato.

· XNUMX€ Generazione semi-armonica: È un caso particolare di opg o opo. In questo, il fannullone e il segnale degenerano in un'unica frequenza.

· XNUMX€ Conversione parametrica spontanea (spdc): SPDC si riferisce al processo di amplificazione della fluttuazione del vuoto appartenente al regime a basso guadagno.

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Credito immagine schema spdc: wikipedia comune

· XNUMX€ Rettifica ottica (o): OR si riferisce al processo di creazione di campi elettrici quasi statici.

• Interazione della materia leggera non lineare con plasmi ed elettroni liberi.

Altri processi non lineari

· XNUMX€ Effetto Kerr ottico, che rappresenta l'indice di rifrazione dipendente dall'intensità.

Effetto Kerr: L'effetto Kerr (a volte indicato come effetto elettro-ottico quadratico) si riferisce alla variazione dell'indice di rifrazione di un mezzo influenzato da un campo elettrico applicato.

· XNUMX€ Modulazione cross-phase (xpm): In XPM, una certa lunghezza d'onda della luce può influenzare la fase di una diversa lunghezza d'onda della luce a causa dell'effetto ottico Kerr.

· XNUMX€ Miscelazione a quattro onde (fwm): FWM viene creato da altre non linearità.

· XNUMX€ Generazione di onde a polarizzazione incrociata (xpw): XPW si riferisce all'effetto che genera un'onda avente il vettore di polarizzazione ortogonale all'onda di ingresso.

· XNUMX€ Amplificazione Raman

· XNUMX€ Instabilità modulazionale.

· XNUMX€ Coniugazione di fase ottica: Si riferisce all'inversione della direzione e della fase di propagazione di un dato raggio di luce.

· XNUMX€ Diffusione di Brillouin stimolata: Questo si riferisce all'interazione del fotone con i fononi acustici.

· XNUMX€ Assorbimento multi-fotone: Questo si riferisce al trasferimento di energia in un singolo elettrone mediante l'assorbimento di due o più fotoni contemporaneamente.

· XNUMX€ Fotoionizzazioni multiple: Questo si riferisce all'esclusione di diversi elettroni legati da un singolo fotone quasi simultaneamente.

· XNUMX€ Caos ottico: Questo si riferisce alle instabilità del laser osservate in diversi sistemi ottici non lineari.

Processi correlati all'ottica non lineare:

I processi in cui il mezzo osserva un'interazione lineare della luce, ma sono influenzati da varie altre cause:

· XNUMX€ Effetto Pockels: In questo, l'indice di rifrazione del mezzo è influenzato da un campo elettrico statico. Questo si trova nei modulatori elettro-ottici.

· XNUMX€ Acusto-ottica: In questo, l'indice di rifrazione del mezzo è influenzato dalle onde acustiche (ultrasuoni). Viene utilizzato nei modulatori acusto-ottici.

Ottica non lineare molecolare 

Le prime osservazioni sull'ottica e sui mezzi non lineari si sono concentrate principalmente sui solidi inorganici. Con il passare del tempo, con l'avvento di più studi relativi all'ottica non lineare, è stato studiato il campo dell'ottica non lineare molecolare. 

I primi approcci utilizzati per migliorare le proprietà o le non linearità non lineari comprendono i processi di

Negli ultimi anni, sono state sviluppate diverse nuove direzioni per la manipolazione della luce e per migliorare la non linearità. Alcune di queste proposte includevano la cascata della non linearità di secondo ordine microscopicamente, combinando una ricca densità di stati con alternanza di legami, torsione dei cromofori, ecc. bioimmagini, fototerapia, ecc.

L'ottica molecolare non lineare si basa sulla teoria del modello SOS (sum-over-states). L'interazione di una singola molecola isolata con la radiazione è studiata dalla teoria delle perturbazioni del primo ordine. Le espressioni risultanti per le iperpolarizzabilità molecolari non lineari e la polarizzabilità lineare dipendono dalle proprietà dei momenti di transizione dei dipoli elettrici e dagli stati molecolari per le transizioni indotte dalla luce tra di loro. 

Formazione di pattern ottici non lineari

Quando i campi ottici vengono trasmessi attraverso mezzi Kerr non lineari, possono visualizzare una qualche forma di formazione di pattern. Ciò accade a causa dell'amplificazione del rumore spaziale e temporale da parte del mezzo non lineare. Questo effetto è definito instabilità della modulazione ottica. L'instabilità della modulazione ottica è stata percepita in entrambi i reticoli fotonici, foto-rifrattivi e sistemi foto-reattivi. La non linearità ottica indotta dalla reazione aumenta nell'indice di rifrazione per i sistemi foto-reattivi.

Coniugazione di fase ottica

Processi ottici non lineari hanno permesso di invertire la direzione di propagazione e variazione di fase di un fascio di luce. Il raggio invertito è chiamato raggio coniugato (da qui il nome coniugazione di fase ottica) dell'originale. Questa tecnica viene anche chiamata inversione del fronte d'onda dell'inversione temporale. Lo strumento che produce tali fasci coniugati è noto come specchio coniugato di fase (PCM).

Per saperne di più sull'energia luminosa visita https://lambdageeks.com/light-energy-light-energy-examples-and-uses/ & https://lambdageeks.com/a-detailed-overview-on-lensometer-working-uses-parts/

Per saperne di più sui telescopi visita https://lambdageeks.com/newtonian-telescope/ & https://lambdageeks.com/reflecting-telescope/

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