Nelinearna optika
Nelinearna optika (NLO) je grana optike koja opisuje ponašanje svetlosti u nelinearnim medijima, to jest, medijima u kojima gustina polarizacije P nelinearno reaguje na električno polje E svetlosti. Nelinearnost se tipično uočava samo pri veoma visokom intenzitetu svetlosti (vrednostima atomskog električnog polja, tipično 108 V/m), kao što su one koje daju laseri. Iznad Švingerovog limita, očekuje se da sam vakuum postane nelinearan. U nelinearnoj optici princip superpozicije više ne važi.[1][2][3]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/17/EntryWithCollCode173233downbaxis.png/220px-EntryWithCollCode173233downbaxis.png)
Istorija
Prvi nelinearni optički efekat koji je bio predviđen bila je dvoprotonska apsorpcija, prema nalazima opisanim u doktorskoj disertaciji Marije Gepert Majer iz 1931. godine, koja je ostala neistražena kao teorijska zanimljivost do 1961. godine, i gotovo istovremeno opažanje apsorpcije dva fotona u Belovim laboratorijama[4] i otkriće druge harmonične generacije Petera Frankena i drugih na Univerzitetu u Mičigenu. Do ovih otrkića je došlo ubrzo nakon konstrukcije prvog lasera zaslugom Teodora Mejmana.[5] Neki od nelinearnih efekata su otkriveni i pre razvoja lasera.[6] Teorijska osnova mnogih nelinearnih procesa prvi put je opisana u Blumbergenovoj monografiji „Nelinearna optika”.[7]
Teorija
Parametarski i „trenutni” nelinearni optički fenomeni (tj. materijal mora biti bez gubitaka i disperzije kroz Kramers-Kronigove relacije), u kojima optička polja nisu prevelika, mogu se opisati ekspanzijom Tejlorove serije dielektrične polarizacione gustine (električni dipolni momenat po jedinici zapremine) P(t) u trenutku t u smislu električnog polja E(t):
gde su χ(n) koeficijenti susceptibilnosti medijuma n-tog reda, a prisustvo takvog člana se generalno naziva nelinearnošću n-tog reda. Treba imati na umu da se polarizaciona gustina P(t) i električno polje E(t) smatraju skalarima radi jednostavnosti. Uopšte rečeno, χ(n) je tenzor (n + 1)-tog ranga koji predstavlja polarizaciono-zavisnu prirodu parametarske interakcije i simetrije (ili nedostatak) nelinearnog materijala.
Talasna jednačina u nelearnom materijalu
Centralni pojam u istraživanju elektromagnetnih talasa je talasna jednačina. Polazeći od Maksvelovih jednačina u izotropnom prostoru, koji ne sadrži slobodna naelektrisanja, može se pokazati da je
gde je PNL nelinearni deo polarizacione gustine, a n je refraktivni indeks, koji dolazi od linearnog člana u P.
Normalno se može koristiti vektorski indentitet
i Gausov zakon (pretpostavljajući da nema slobodnih naelektrisanja, ),
da bi se dobila šire poznata talasna jednačina
Za nelinearni medijum, Gausov zakon ne podrazumeva da identitet
generalno važi, čak ni za izotropni medijum. Međutim, čak i kada ovaj izraz nije identičan 0, često je zanemarivo mali, te se u praksi obično zanemaruje, čime se dolazi do standardne nelinearne talasne jednačine:
Nelinearno formiranje optičkog uzorka
Optička polja koja se prenose preko nelinearnih Kerovih medija takođe mogu ispoljiti formiranje obrazaca zahvaljujući nelinearnom mediju koji pojačava prostorni i vremenski šum. Taj efekat se naziva nestabilnošću optičke modulacije.[8] Ovo je primećeno i kod fotorefraktivnih,[9] fotonskih rešetki,[10] kao i kod foto-reaktivnih sistema.[11][12][13][14] U poslednjem slučaju, optička nelinearnost se postiže reakciono indukovanim povećanjem refraktivnog indeksa.[15]
Molekularna nelinearna optika
Rane studije nelinearne optike i materijala fokusirale su se na neorganske čvrste materije. Razvojem nelinearne optike, ispitivana su molekularna optička svojstva, čime je formirana molekularna nelinearna optika.[16] Tradicionalni pristupi koji su se koristili u prošlosti za poboljšanje nelinearnosti uključuju produženja hromoforskih π-sistema, prilagođavanje alternacije dužine veze, indukovanje intramolekularnog prenosa naboja, produženje konjugacije u 2D i inženjering multipolarne distribucije naboja. Nedavno su predloženi mnogi novi pravci za pojačanu nelinearnost i svetlosne manipulacije, uključujući upletene hromofore, kombinovanje bogate gustine stanja sa naizmeničnim vezama, mikroskopsko kaskadiranje nelinearnosti drugog reda, itd. Zbog istaknutih prednosti, molekularna nelinearna optika se široko koristi u polju biofotonike, uključujući bioimidžing,[17] fototerapije,[18] biodetekcije,[19] etc.
Reference
Literatura
- Chen, Szu-yuan; Maksimchuk, Anatoly; Umstadter, Donald (17. 12. 1998). „Experimental observation of relativistic nonlinear Thomson scattering”. Nature. 396 (6712): 653—655. Bibcode:1998Natur.396..653C. arXiv:physics/9810036
. doi:10.1038/25303.
- Bula, C.; McDonald, K. T.; Prebys, E. J.; Bamber, C.; Boege, S.; Kotseroglou, T.; Melissinos, A. C.; Meyerhofer, D. D.; Ragg, W.; Burke, D. L.; Field, R. C.; Horton-Smith, G.; Odian, A. C.; Spencer, J. E.; Walz, D.; Berridge, S. C.; Bugg, W. M.; Shmakov, K.; Weidemann, A. W. (22. 4. 1996). „Observation of Nonlinear Effects in Compton Scattering”. Phys. Rev. Lett. (Submitted manuscript). 76 (17): 3116—3119. Bibcode:1996PhRvL..76.3116B. PMID 10060879. doi:10.1103/PhysRevLett.76.3116. Архивирано из оригинала 21. 6. 2019. г. Приступљено 6. 9. 2018.
- James Koga; Timur Zh. Esirkepov; Sergei V. Bulanov. „Nonlinear Thomson scattering in the strong radiation damping regime”. American Institute of Physics. Архивирано из оригинала 18. 7. 2012. г. Приступљено 4. 7. 2010.
- Thaury, C.; Quéré, F.; Geindre, J.-P.; Levy, A.; Ceccotti, T.; Monot, P.; Bougeard, M.; Réau, F.; d’Oliveira, P.; Audebert, P.; Marjoribanks, R.; Martin, Ph (1. 6. 2007). „Plasma mirrors for ultrahigh-intensity optics”. Nat Phys. 3 (6): 424—429. Bibcode:2007NatPh...3..424T. doi:10.1038/nphys595.
- A. P. Kouzov, N. I. Egorova, M. Chrysos, F. Rachet, Non-linear optical channels of the polarizability induction in a pair of interacting molecules, NANOSYSTEMS: PHYSICS, CHEMISTRY, MATHEMATICS, 2012, 3 (2)
- Paschotta, Rüdiger. „Parametric Nonlinearities”. Encyclopedia of Laser Physics and Technology.
Spoljašnje veze
- Encyclopedia of laser physics and technology, with content on nonlinear optics, by Rüdiger Paschotta
- An Intuitive Explanation of Phase Conjugation
- SNLO - Nonlinear Optics Design Software
- Robert Boyd plenary presentation: Quantum Nonlinear Optics: Nonlinear Optics Meets the Quantum World SPIE Newsroom