非線形光学過程

光が強い場合、媒質の分極は電場に対して非線形に応答し、通常の線形光学では見られないさまざまな過程が生じます。

Definition

媒質の分極が強光の電場に非線形に依存するときに生じる光学現象。これは、高次の感受率が新しい周波数と強度依存効果を生成するべき級数展開によって記述されます。

Scope

このトピックでは、非線形光学効果の起源と分類について説明します。これには、電場のべき乗による誘起分極の展開、二次および三次非線形感受率、偶数次効果を許容または禁止する対称性要件、ならびに光カー効果、自己位相変調、自己集束、四光波混合などの主要な三次現象が含まれます。また、誘導ラマン散乱およびブリルアン散乱についても扱います。特定の周波数変換デバイスの基礎となる非線形感受率の枠組みを確立します。

Core questions

• 媒質の分極はどのようにして電場に対して非線形になるのでしょうか？
• 対称性の高い媒質では、なぜ偶数次の非線形効果が禁止されるのでしょうか？
• 主な三次非線形現象にはどのようなものがありますか？
• 強度依存の屈折はどのように自己集束を引き起こすのでしょうか？

Key concepts

• 非線形分極
• 二次感受率
• 三次感受率
• 光カー効果
• 自己位相変調
• 自己集束
• 四光波混合
• 誘導ラマン散乱

Key theories

非線形感受率展開

誘起分極は電場のべき級数として展開され、二次感受率は三光波混合を、三次感受率はカー効果や四光波混合などの効果を担います。結晶の対称性によって、どの項が残るかが決まります。

光カー効果と自己作用

三次応答により屈折率が強度に依存するようになり、強度の高いビームは自身の位相を変調し、自己集束することができます。これは自己位相変調、自己集束、ソリトン形成の基礎となります。

Clinical relevance

三次非線形過程は、コヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡や、組織内の脂質やその他の分子を可視化するために使用されるその他のラベルフリー非線形イメージング法の基礎となります。一方、自己位相変調は、光コヒーレンストモグラフィーで使用されるレーザースペクトルを広げます。

History

非線形光学感受率の体系的な理論は、1960年代初頭にBloembergenとその共同研究者によって開発され、Bloembergenは1981年のノーベル物理学賞を共同受賞しました。その後の数十年で、三次現象とその光ファイバーや結晶での応用が詳細に研究され、ShenやBoydによる標準的な教科書にまとめられています。

Key figures

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

Seminal works

• boyd2020
• shen2003

Frequently asked questions

なぜ通常の昼光では非線形効果が生じないのですか？

分極における非線形項は電場のべき乗に比例し、通常の強度では極めて小さいため、集束されたレーザーパルスの集中した電場だけが、これらの効果を顕著にするのに十分な強度を持ちます。

自己集束とは何ですか？

強度依存の屈折率を介して、強度の高いビームは最も明るい中心部で屈折率を最も高くするため、媒質はビーム自体を集束させるレンズのように作用し、フィラメンテーションや損傷につながることもあります。