Nichtlineare optische Prozesse

Bei hoher Lichtintensität reagiert die Polarisation eines Mediums nichtlinear auf das Feld, was zu einer Reihe von Prozessen führt, die in der gewöhnlichen linearen Optik nicht auftreten.

Definition

Optische Phänomene, die auftreten, wenn die Polarisation eines Mediums nichtlinear vom elektrischen Feld intensiven Lichts abhängt, beschrieben durch eine Potenzreihenentwicklung, deren Suszeptibilitäten höherer Ordnung neue Frequenzen und intensitätsabhängige Effekte erzeugen.

Scope

Dieses Thema behandelt den Ursprung und die Klassifizierung nichtlinearer optischer Effekte. Es umfasst die Entwicklung der induzierten Polarisation in Potenzen des Feldes und die nichtlinearen Suszeptibilitäten zweiter und dritter Ordnung, die Symmetrieanforderungen, die geradzahlige Effekte zulassen oder verbieten, sowie die wichtigsten Phänomene dritter Ordnung wie den optischen Kerr-Effekt, Selbstphasenmodulation, Selbstfokussierung und Vierwellenmischung. Es behandelt auch die stimulierte Raman- und Brillouin-Streuung. Es etabliert den Rahmen der nichtlinearen Suszeptibilitäten, aus dem spezifische Frequenzumwandlungsgeräte abgeleitet werden.

Core questions

• Wie wird die Polarisation eines Mediums im Feld nichtlinear?
• Warum sind nichtlineare Effekte gerader Ordnung in symmetrischen Medien verboten?
• Was sind die wichtigsten nichtlinearen Phänomene dritter Ordnung?
• Wie führt intensitätsabhängige Brechung zur Selbstfokussierung?

Key concepts

• nichtlineare Polarisation
• Suszeptibilität zweiter Ordnung
• Suszeptibilität dritter Ordnung
• optischer Kerr-Effekt
• Selbstphasenmodulation
• Selbstfokussierung
• Vierwellenmischung
• stimulierte Raman-Streuung

Key theories

Nichtlineare Suszeptibilitätsentwicklung

Die induzierte Polarisation wird als Potenzreihe im Feld entwickelt, wobei die Suszeptibilität zweiter Ordnung für die Dreiwellenmischung und die Suszeptibilität dritter Ordnung für Effekte wie den Kerr-Effekt und die Vierwellenmischung verantwortlich ist; die Kristallsymmetrie bestimmt, welche Terme erhalten bleiben.

Optischer Kerr-Effekt und Selbstwirkung

Die Antwort dritter Ordnung macht den Brechungsindex intensitätsabhängig, sodass ein intensiver Strahl seine eigene Phase modifiziert und sich selbst fokussieren kann, was der Selbstphasenmodulation, der Selbstfokussierung und der Solitonbildung zugrunde liegt.

Clinical relevance

Nichtlineare Prozesse dritter Ordnung sind die Grundlage der kohärenten Anti-Stokes-Raman-Streuungsmikroskopie und anderer markierungsfreier nichtlinearer Bildgebungsverfahren, die zur Visualisierung von Lipiden und anderen Molekülen in Gewebe eingesetzt werden, während die Selbstphasenmodulation Laserspektren verbreitert, die in der optischen Kohärenztomographie verwendet werden.

History

Die systematische Theorie der nichtlinearen optischen Suszeptibilitäten wurde in den frühen 1960er Jahren von Bloembergen und Mitarbeitern entwickelt, wofür Bloembergen 1981 den Nobelpreis für Physik erhielt. In den folgenden Jahrzehnten wurden die Phänomene dritter Ordnung und ihre Nutzung in Fasern und Kristallen weiterentwickelt, zusammengefasst in Standardwerken von Shen und Boyd.

Key figures

• Nicolaas Bloembergen
• Yuen-Ron Shen
• Robert W. Boyd

Seminal works

• boyd2020
• shen2003

Frequently asked questions

Warum erzeugt gewöhnliches Tageslicht keine nichtlinearen Effekte?

Nichtlineare Terme in der Polarisation skalieren mit Potenzen des Feldes und sind bei gewöhnlichen Intensitäten extrem klein; nur die konzentrierten Felder fokussierter Laserpulse sind stark genug, um diese Effekte merklich zu machen.

Was ist Selbstfokussierung?

Durch den intensitätsabhängigen Brechungsindex erhöht ein intensiver Strahl den Index am stärksten dort, wo er am hellsten ist, in seinem Zentrum, sodass das Medium wie eine Linse wirkt, die den Strahl auf sich selbst fokussiert, was manchmal zu Filamentation oder Beschädigung führt.