Λεπτομερής ανάλυση για μη γραμμικά οπτικά και σημαντικές μη γραμμικές διαδικασίες

ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΕΣ ΟΠΤΙΚΕΣ

Τα μη γραμμικά οπτικά ή NLO αναφέρονται στον κλάδο των οπτικών που μελετά τις ιδιότητες του φωτός σε ένα μη γραμμικό μέσο. Σε μη γραμμικά μέσα, η πυκνότητα πόλωσης (P) αλληλεπιδρά μη γραμμικά με το ηλεκτρικό πεδίο του φωτός (E). Γενικά, η μη γραμμικότητα του φωτός μπορεί να εξεταστεί σε εξαιρετικά υψηλές εντάσεις φωτός (τιμές ατομικών ηλεκτρικών πεδίων, συνήθως 108 V / m), όπως παράγονται από λέιζερ. Ένα κενό εκτιμάται ότι θα γίνει ένα μη γραμμικό μέσο μετά την υπέρβαση του ορίου Schwinger. Η αρχή της υπέρθεσης δεν μπορεί να εφαρμοστεί στα μη γραμμικά οπτικά.

μη γραμμική οπτική
Τα λέιζερ με υψηλή οπτική ένταση μπορούν να προκαλέσουν πολλές μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες.
πηγή: Pangkakit at Κινεζική ΒικιπαίδειαΔείκτες λέιζερCC BY-SA 3.0

Ιστορία των μη γραμμικών οπτικών

Η Maria Goeppert Mayer ήταν το πρώτο άτομο που παρατήρησε το μη γραμμικό οπτικό αποτέλεσμα κατά την απορρόφηση δύο φωτονίων το 1931. Ωστόσο, αυτή η θεωρία παρέμεινε ανεξερεύνητη μέχρι το 1961. Το 1961, τα εργαστήρια Bell πραγματοποίησαν πειράματα για την παρατήρηση της απορρόφησης δύο φωτονίων. Ταυτόχρονα, οι Peter Franken et al. από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν ανακάλυψε δεύτερη αρμονική γενιά. Και οι δύο αυτές προόδους σημειώθηκαν αμέσως μετά την ανάπτυξη του πρώτου λέιζερ από τον Theodore Maiman. Ωστόσο, ορισμένες ιδιότητες των μη γραμμικών οπτικών παρουσιάστηκαν στο φως πριν από την κατασκευή του λέιζερ. Η μονογραφία «μη γραμμικής οπτικής» του Bloembergen ήταν η πρώτη που περιέγραψε και καθιέρωσε τη βασική θεωρία για διάφορες μη γραμμικές οπτικές διαδικασίες.

Τι είναι οι μη γραμμικές οπτικές διαδικασίες;

Τα μη γραμμικά οπτικά εξηγούν περαιτέρω τη μη γραμμική απόκριση ιδιοτήτων όπως πόλωση, συχνότητα, μήκος κύματος, διαδρομή ή φάση του προσπίπτοντος φωτός, αλληλεπίδραση με διαφορετικά μέσα κ.λπ. Τέτοιες μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις οδηγούν σε διάφορα οπτικά φαινόμενα:

Διαδικασίες ανάμιξης συχνότητας

Δεύτερη αρμονική παραγωγή (shg) ή διπλασιασμός συχνότητας: Το SHG αναφέρεται στη διαδικασία παραγωγής φωτός με συχνότητα δύο φορές το αρχικό φως (ή το μισό μήκος κύματος). Σε αυτήν τη διαδικασία, δύο φωτόνια καταστρέφονται για την παραγωγή ενός μόνο φωτονίου που έχει διπλή συχνότητα.

Διάγραμμα της διαδικασίας SHG. ΤζούτσουιΔεύτερη αρμονική γενιάCC BY-SA 3.0

Τρίτη αρμονική παραγωγή (thg): Το THG αναφέρεται στη διαδικασία παραγωγής φωτός με συχνότητα τρεις φορές μεγαλύτερη από αυτή του αρχικού φωτός (ή το ένα τρίτο του μήκους κύματος). Σε αυτήν τη διαδικασία, τρία φωτόνια καταστρέφονται για την παραγωγή ενός μόνο φωτονίου, έχοντας τριπλασιαστεί ως συχνότητα.

Υψηλή αρμονική παραγωγή (hhg): Το HHG αναφέρεται στη διαδικασία παραγωγής φωτός με συχνότητες αρκετές φορές περισσότερες από την αρχική (γενικά 100 έως 1000 φορές μεγαλύτερη).

Παραγωγή αθροιστικών συχνοτήτων (sfg): Η διαδικασία άθροισης δύο ξεχωριστών συχνοτήτων για την παραγωγή φωτός που έχει την προκύπτουσα συχνότητα ονομάζεται SFG.

Παραγωγή διαφοράς-συχνότητας (dfg): Η διαδικασία αφαίρεσης δύο ξεχωριστών συχνοτήτων για δημιουργία με την προκύπτουσα συχνότητα ονομάζεται DFG.

Οπτική παραμετρική ενίσχυση (opa): Το OPA αναφέρεται στη διαδικασία ενίσχυσης εισόδου σήματος χρησιμοποιώντας κύμα αντλίας υψηλότερης συχνότητας και ταυτόχρονα δημιουργώντας ένα ρελαντί κύμα.

Οπτική παραμετρική ταλάντωση (opo): Το OPO αναφέρεται στη διαδικασία δημιουργίας σήματος και αδράνειας σε έναν αντηχείο με τη βοήθεια ενός παραμετρικού ενισχυτή (χωρίς καμία είσοδο σήματος).

Οπτική παραμετρική παραγωγή (opg): Το OPG είναι παρόμοιο με την παραμετρική ταλάντωση, αλλά δεν περιλαμβάνει αντηχείο και ενσωματώνει ένα εξαιρετικά υψηλό κέρδος.

Ημι-αρμονική παραγωγή: Είναι μια συγκεκριμένη περίπτωση opg ή opo. Σε αυτό, το ρελαντί και το σήμα εκφυλίζονται σε μία μόνο συχνότητα.

Αυθόρμητη παραμετρική μετατροπή προς τα κάτω (spdc): Το SPDC αναφέρεται στη διαδικασία ενίσχυσης της διακύμανσης κενού που ανήκει στο καθεστώς χαμηλού κέρδους.

πίστωση εικόνας σχήματος spdc: κοινή wikipedia

Οπτική διόρθωση (ή): Ή αναφέρεται στη διαδικασία δημιουργίας σχεδόν στατικών ηλεκτρικών πεδίων.

• Αλληλεπίδραση μη γραμμικής ελαφριάς ύλης με πλάσματα και ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Άλλες μη γραμμικές διαδικασίες

Οπτικό εφέ Kerr, που απεικονίζει δείκτη διάθλασης που εξαρτάται από την ένταση.

Εφέ Kerr: Το φαινόμενο Kerr (μερικές φορές αναφέρεται ως τετραγωνικό ηλεκτρο-οπτικό αποτέλεσμα) αναφέρεται στην αλλαγή του δείκτη διάθλασης ενός μέσου που επηρεάζεται από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο.
  • Αυτο-εστίαση συμβαίνει ως αποτέλεσμα του φακού Kerr (και πιθανώς μη γραμμικότητας υψηλότερης τάξης). Παράγει χωρική διακύμανση του δείκτη διάθλασης λόγω χωρικής διακύμανσης στην ένταση.
  • Κλείδωμα λειτουργίας φακού Kerr (klm): Το KLM αναφέρεται στη χρήση του μηχανισμού αυτόματης εστίασης σε ένα λέιζερ κλειδώματος λειτουργίας.
  • Διαμόρφωση αυτο φάσης (spm): Το SPM αναφέρεται γενικά στο εφέ που παράγεται λόγω του οπτικού εφέ Kerr. Παράγει μια χρονική μεταβολή στον δείκτη διάθλασης λόγω της χρονικής διακύμανσης στην ένταση.
  • Οπτικά solitons: Το OS αναφέρεται σε μια λύση ισορροπίας είτε για έναν χωρικό τρόπο (χωρική σόλιτον) είτε για τον οπτικό παλμό (χρονικό μονότονο) που παραμένει αμετάβλητο κατά τη διάδοση. Αυτό συμβαίνει ως αποτέλεσμα της ισορροπίας που διατηρείται μεταξύ του φαινομένου Kerr και της διασποράς.

Διαμόρφωση πολλαπλών φάσεων (xpm): Στο XPM, ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος φωτός μπορεί να επηρεάσει τη φάση ενός διαφορετικού μήκους κύματος φωτός λόγω του οπτικού φαινομένου Kerr.

Ανάμιξη τεσσάρων κυμάτων (fwm): Το FWM δημιουργείται από άλλες μη γραμμικότητες.

Δημιουργία διαπολωμένων κυμάτων (xpw): Το XPW αναφέρεται στο φαινόμενο που δημιουργεί ένα κύμα που έχει τον ορθογώνιο φορέα πόλωσης στο κύμα εισόδου.

Ενίσχυση Raman

Διαρθρωτική αστάθεια.

Οπτική σύζευξη φάσης: Αυτό αναφέρεται στην αναστροφή της κατεύθυνσης διάδοσης και της φάσης μιας δεδομένης δέσμης φωτός.

Διεγερμένη σκέδαση Brillouin: Αυτό αναφέρεται στην αλληλεπίδραση φωτονίων με ακουστικά φωνόνια.

Απορρόφηση πολλαπλών φωτονίων: Αυτό αναφέρεται στη μεταφορά ενέργειας σε ένα μόνο ηλεκτρόνιο με την απορρόφηση δύο ή περισσότερων φωτονίων ταυτόχρονα.

Πολλαπλές φωτονιονισμοί: Αυτό αναφέρεται στον αποκλεισμό πολλών δεσμευμένων ηλεκτρονίων από ένα μόνο φωτόνιο σχεδόν ταυτόχρονα.

Οπτικό χάος: Αυτό αναφέρεται στις αστάθειες λέιζερ που παρατηρούνται σε πολλά μη γραμμικά οπτικά συστήματα.

Μη γραμμικές οπτικές διαδικασίες

Οι διαδικασίες στις οποίες το μέσο παρατηρεί μια γραμμική αλληλεπίδραση του φωτός, αλλά επηρεάζονται από διάφορες άλλες αιτίες:

Εφέ Pockels: Σε αυτό, ο δείκτης διάθλασης του μέσου επηρεάζεται από ένα στατικό ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό βρίσκεται σε ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές.

  • Raman σκέδαση: Σε αυτό, τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με οπτικά φωνόνια.

Ακουστική οπτική: Σε αυτό, ο δείκτης διάθλασης του μέσου επηρεάζεται από ακουστικά κύματα (υπερήχους). Αυτό χρησιμοποιείται σε ακουστικούς-οπτικούς διαμορφωτές.

Μοριακά μη γραμμικά οπτικά 

Οι πρώτες παρατηρήσεις για τα μη γραμμικά οπτικά και τα μέσα επικεντρώθηκαν κυρίως στα ανόργανα στερεά. Με την πάροδο του χρόνου καθώς εμφανίστηκαν περισσότερες μελέτες σχετικά με τα μη γραμμικά οπτικά, ερευνήθηκε το πεδίο των μοριακών μη γραμμικών οπτικών. 

Οι πρώιμες προσεγγίσεις που χρησιμοποιήθηκαν για τη βελτίωση μη γραμμικών ιδιοτήτων ή μη γραμμικότητας περιλαμβάνουν τις διαδικασίες

  • Επέκταση χρωμοφόρου π-συστημάτων.
  • Επέκταση της σύζευξης σε 2D. 
  • Τροποποίηση εναλλαγής μήκους δεσμού.
  • Μηχανολογικές πολυπολικές κατανομές.
  • Προκαλεί ενδομοριακή μεταφορά φορτίου.

Τα τελευταία χρόνια, αρκετές νέες κατευθύνσεις αφιερώθηκαν για ελαφρύ χειρισμό και βελτιωμένη μη γραμμικότητα. Ορισμένες από αυτές τις προτάσεις περιελάμβαναν μικροσκοπικά κλιμάκωση δεύτερης τάξης μη γραμμικότητας, συνδυασμό πλούσιας πυκνότητας καταστάσεων με εναλλαγή δεσμών, στρίψιμο χρωμοφόρων κ.λπ. βιοϊαση, φωτοθεραπεία κλπ.

Τα μοριακά μη γραμμικά οπτικά βασίζονται στη θεωρία του μοντέλου αθροιστικών καταστάσεων (SOS). Η αλληλεπίδραση ενός μεμονωμένου μορίου με ακτινοβολία μελετάται από τη θεωρία διαταραχής πρώτης τάξης. Οι προκύπτουσες εκφράσεις για τις μη γραμμικές μοριακές υπερποικιλότητες και τη γραμμική πολικότητα εξαρτώνται από τις ιδιότητες των ροπών μετάβασης των ηλεκτρικών διπόλων και των μοριακών καταστάσεων για επαγόμενες από το φως μεταβάσεις μεταξύ τους. 

Μη γραμμικός σχηματισμός οπτικών προτύπων

Όταν τα οπτικά πεδία μεταδίδονται μέσω μη γραμμικών μέσων Kerr, ενδέχεται να εμφανίζουν κάποια μορφή σχηματισμού μοτίβου. Αυτό συμβαίνει λόγω της ενίσχυσης του χωρικού και χρονικού θορύβου από το μη γραμμικό μέσο. Αυτό το αποτέλεσμα ονομάζεται αστάθεια οπτικής διαμόρφωσης. Η αστάθεια της οπτικής διαμόρφωσης έγινε αντιληπτή και στα δύο φωτονικά πλέγματα, φωτο-διαθλαστικά και φωτο-αντιδραστικά συστήματα. Η οπτική μη γραμμικότητα που προκαλείται από την αντίδραση αυξάνει τον δείκτη διάθλασης για τα φωτοδραστικά συστήματα.

Οπτική σύζευξη φάσης

Οι μη γραμμικές οπτικές διεργασίες κατέστησαν δυνατή την αντιστροφή της κατεύθυνσης διάδοσης και της παραλλαγής φάσης μιας φωτεινής δέσμης. Η αντίστροφη δέσμη ονομάζεται δέσμη συζεύξεων (εξ ου και η ονομασία σύζευξη οπτικής φάσης) του αρχικού. Αυτή η τεχνική αναφέρεται επίσης ως αντιστροφή χρόνου-αντιστροφής μπροστά στο κύμα. Το όργανο που παράγει τέτοιες συζευγμένες δέσμες είναι γνωστό ως καθρέφτης συζεύγματος φάσης (PCM).

Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με την ελαφριά ενέργεια επίσκεψη https://lambdageeks.com/light-energy-light-energy-examples-and-uses/ & https://lambdageeks.com/a-detailed-overview-on-lensometer-working-uses-parts/

Για να μάθετε περισσότερα για τα τηλεσκόπια επισκεφθείτε https://lambdageeks.com/newtonian-telescope/ & https://lambdageeks.com/reflecting-telescope/

Σχετικά με το Sanchari Chakraborty

Είμαι πρόθυμος μαθητευόμενος, επί του παρόντος επενδύω στον τομέα της Εφαρμοσμένης Οπτικής και της Φωτονικής. Είμαι επίσης ενεργό μέλος του SPIE (Διεθνής Εταιρεία Οπτικής και Φωτονικής) και του OSI (Optical Society of India). Τα άρθρα μου έχουν ως στόχο να φέρουν στο φως ποιοτικά επιστημονικά ερευνητικά θέματα με απλό αλλά ενημερωτικό τρόπο. Η επιστήμη εξελίσσεται από αμνημονεύτων χρόνων. Γι 'αυτό, προσπαθώ να αξιοποιήσω την εξέλιξη και να το παρουσιάσω στους αναγνώστες.

Ας συνδεθούμε μέσω https://www.linkedin.com/in/sanchari-chakraborty-7b33b416a/

Lambda Geeks