กระบวนการเชิงแสงแบบไม่เชิงเส้น

เมื่อแสงมีความเข้มสูง การโพลาไรเซชันของตัวกลางจะตอบสนองต่อสนามแบบไม่เชิงเส้น ทำให้เกิดกระบวนการต่างๆ ที่ไม่พบในทัศนศาสตร์เชิงเส้นทั่วไป

Definition

ปรากฏการณ์เชิงแสงที่เกิดขึ้นเมื่อการโพลาไรเซชันของตัวกลางขึ้นอยู่กับสนามไฟฟ้าของแสงความเข้มสูงแบบไม่เชิงเส้น ซึ่งอธิบายโดยการกระจายอนุกรมกำลังที่ค่าสภาพรับได้อันดับสูงสร้างความถี่ใหม่และปรากฏการณ์ที่ขึ้นกับความเข้ม

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงที่มาและการจำแนกประเภทของปรากฏการณ์เชิงแสงแบบไม่เชิงเส้น ซึ่งรวมถึงการขยายตัวของการโพลาไรเซชันที่ถูกเหนี่ยวนำในรูปของกำลังของสนาม และค่าสภาพรับได้ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นอันดับสองและสาม ข้อกำหนดด้านสมมาตรที่อนุญาตหรือห้ามปรากฏการณ์อันดับคู่ และปรากฏการณ์อันดับสามที่สำคัญ เช่น ปรากฏการณ์เคอร์เชิงแสง การปรับเฟสในตัวเอง การรวมโฟกัสในตัวเอง และการผสมสี่คลื่น นอกจากนี้ยังครอบคลุมถึงการกระเจิงรามันและบริลลูอินแบบกระตุ้น โดยจะสร้างกรอบของค่าสภาพรับได้ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นซึ่งนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์แปลงความถี่เฉพาะ

Core questions

• การโพลาไรเซชันของตัวกลางกลายเป็นไม่เชิงเส้นในสนามได้อย่างไร?
• เหตุใดปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นอันดับคู่จึงถูกห้ามในตัวกลางที่มีสมมาตร?
• ปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นอันดับสามที่สำคัญมีอะไรบ้าง?
• การหักเหของแสงที่ขึ้นกับความเข้มนำไปสู่การรวมโฟกัสในตัวเองได้อย่างไร?

Key concepts

• การโพลาไรเซชันแบบไม่เชิงเส้น
• ค่าสภาพรับได้อันดับสอง
• ค่าสภาพรับได้อันดับสาม
• ปรากฏการณ์เคอร์เชิงแสง
• การปรับเฟสในตัวเอง
• การรวมโฟกัสในตัวเอง
• การผสมสี่คลื่น
• การกระเจิงรามันแบบกระตุ้น

Key theories

การขยายค่าสภาพรับได้แบบไม่เชิงเส้น

การโพลาไรเซชันที่ถูกเหนี่ยวนำจะถูกขยายเป็นอนุกรมกำลังในรูปของสนาม โดยค่าสภาพรับได้อันดับสองมีหน้าที่ในการผสมสามคลื่น และค่าสภาพรับได้อันดับสามมีหน้าที่สำหรับปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น ปรากฏการณ์เคอร์และการผสมสี่คลื่น โดยสมมาตรของผลึกจะเป็นตัวกำหนดว่าพจน์ใดจะคงอยู่

ปรากฏการณ์เคอร์เชิงแสงและการกระทำต่อตัวเอง

การตอบสนองอันดับสามทำให้ดัชนีหักเหขึ้นอยู่กับความเข้ม ดังนั้นลำแสงที่มีความเข้มสูงจะปรับเปลี่ยนเฟสของตัวเองและสามารถรวมโฟกัสตัวเองได้ ซึ่งเป็นพื้นฐานของการปรับเฟสในตัวเอง การรวมโฟกัสในตัวเอง และการก่อตัวของโซลิตอน

Clinical relevance

กระบวนการไม่เชิงเส้นอันดับสามเป็นพื้นฐานของกล้องจุลทรรศน์การกระเจิงรามันแบบโคฮีเรนต์แอนติ-สโตกส์ และวิธีการสร้างภาพแบบไม่เชิงเส้นแบบไม่ติดฉลากอื่นๆ ที่ใช้ในการมองเห็นไขมันและโมเลกุลอื่นๆ ในเนื้อเยื่อ ในขณะที่การปรับเฟสในตัวเองจะขยายสเปกตรัมเลเซอร์ที่ใช้ในการถ่ายภาพรังสีส่วนตัดขวางเชิงแสง

History

ทฤษฎีที่เป็นระบบของค่าสภาพรับได้ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นได้รับการพัฒนาโดย Bloembergen และคณะในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ซึ่ง Bloembergen ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันในปี 1981 ทศวรรษต่อมาได้มีการอธิบายปรากฏการณ์อันดับสามและการนำไปใช้ประโยชน์ในเส้นใยและผลึก ซึ่งสรุปไว้ในตำรามาตรฐานโดย Shen และ Boyd

Key figures

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

Seminal works

• boyd2020
• shen2003

Frequently asked questions

เหตุใดแสงแดดธรรมดาจึงไม่ก่อให้เกิดปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้น?

พจน์ไม่เชิงเส้นในการโพลาไรเซชันจะแปรผันตามกำลังของสนามและมีค่าน้อยมากที่ความเข้มปกติ มีเพียงสนามที่มีความเข้มข้นของพัลส์เลเซอร์ที่ถูกโฟกัสเท่านั้นที่แรงพอที่จะทำให้ปรากฏการณ์เหล่านี้สังเกตเห็นได้

การรวมโฟกัสในตัวเองคืออะไร?

ผ่านดัชนีหักเหที่ขึ้นกับความเข้ม ลำแสงที่มีความเข้มสูงจะเพิ่มดัชนีได้มากที่สุดในบริเวณที่สว่างที่สุด ซึ่งก็คือที่ศูนย์กลางของลำแสง ดังนั้นตัวกลางจึงทำหน้าที่เหมือนเลนส์ที่รวมโฟกัสลำแสงเข้าหาตัวเอง ซึ่งบางครั้งนำไปสู่การเกิดเส้นใยหรือความเสียหาย