Proses Optik Nonlinear

Ketika cahaya sangat intens, polarisasi suatu medium merespons secara nonlinear terhadap medan, menimbulkan serangkaian proses yang tidak ada dalam optik linear biasa.

Definition

Fenomena optik yang muncul ketika polarisasi suatu medium bergantung secara nonlinear pada medan listrik cahaya intens, dijelaskan oleh ekspansi deret pangkat yang suseptibilitas orde tingginya menghasilkan frekuensi baru dan efek yang bergantung pada intensitas.

Scope

Topik ini mencakup asal-usul dan klasifikasi efek optik nonlinear. Ini termasuk perluasan polarisasi terinduksi dalam pangkat medan dan suseptibilitas nonlinear orde kedua dan ketiga, persyaratan simetri yang mengizinkan atau melarang efek orde genap, dan fenomena orde ketiga utama seperti efek Kerr optik, modulasi fasa diri, pemfokusan diri, dan pencampuran empat gelombang. Ini juga mencakup hamburan Raman dan Brillouin terstimulasi. Ini menetapkan kerangka suseptibilitas nonlinear dari mana perangkat konversi frekuensi spesifik berasal.

Core questions

• Bagaimana polarisasi suatu medium menjadi nonlinear dalam medan?
• Mengapa efek nonlinear orde genap dilarang dalam medium simetris?
• Apa saja fenomena nonlinear orde ketiga utama?
• Bagaimana refraksi yang bergantung pada intensitas menyebabkan pemfokusan diri?

Key concepts

• polarisasi nonlinear
• suseptibilitas orde kedua
• suseptibilitas orde ketiga
• efek Kerr optik
• modulasi fasa diri
• pemfokusan diri
• pencampuran empat gelombang
• hamburan Raman terstimulasi

Key theories

Ekspansi suseptibilitas nonlinear

Polarisasi terinduksi diperluas sebagai deret pangkat dalam medan, dengan suseptibilitas orde kedua bertanggung jawab untuk pencampuran tiga gelombang dan suseptibilitas orde ketiga untuk efek seperti efek Kerr dan pencampuran empat gelombang; simetri kristal menentukan suku mana yang bertahan.

Efek Kerr optik dan aksi diri

Respons orde ketiga membuat indeks bias bergantung pada intensitas, sehingga berkas intens memodifikasi fasanya sendiri dan dapat memfokuskan dirinya sendiri, mendasari modulasi fasa diri, pemfokusan diri, dan pembentukan soliton.

Clinical relevance

Proses nonlinear orde ketiga mendasari mikroskopi hamburan Raman anti-Stokes koheren dan metode pencitraan nonlinear bebas label lainnya yang digunakan untuk memvisualisasikan lipid dan molekul lain dalam jaringan, sementara modulasi fasa diri memperluas spektrum laser yang digunakan dalam tomografi koherensi optik.

History

Teori sistematis suseptibilitas optik nonlinear dikembangkan oleh Bloembergen dan rekan kerjanya pada awal tahun 1960-an, yang untuk itu Bloembergen berbagi Hadiah Nobel Fisika tahun 1981. Dekade-dekade berikutnya menguraikan fenomena orde ketiga dan pemanfaatannya dalam serat dan kristal, yang dirangkum dalam teks standar oleh Shen dan Boyd.

Key figures

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

Seminal works

• boyd2020
• shen2003

Frequently asked questions

Mengapa cahaya siang hari biasa tidak menghasilkan efek nonlinear?

Suku-suku nonlinear dalam skala polarisasi dengan pangkat medan dan sangat kecil pada intensitas biasa; hanya medan terkonsentrasi dari pulsa laser terfokus yang cukup kuat untuk membuat efek ini terlihat.

Apa itu pemfokusan diri?

Melalui indeks bias yang bergantung pada intensitas, berkas intens meningkatkan indeks paling tinggi di mana ia paling terang, di pusatnya, sehingga medium bertindak seperti lensa yang memfokuskan berkas pada dirinya sendiri, terkadang menyebabkan filamentasi atau kerusakan.