Элементы нелинейной оптики

Рассмотренные явления поглощения и рассеяния света предполагают, что оптические свойства среды, в которой происходит распространение электромагнитной волны, не зависят от интенсивности излучения. В этом случае говорят, что среда является линейной, имея в виду, что материальные уравнения (36.13) и (36.14), а вместе с ними и вся система уравнений Максвелла, описывающая электромагнитное поле в веществе, являются линейными. В сильных электромагнитных полях характеристики среды, такие как диэлектрическая проницаемость, показатель преломления и другие, становятся зависящими от напряженности электрического поля. Сильным считается электрическое поле, напряженность которого соизмерима с напряженностью внутриатомного поля, составляющей по порядку величины В/м в полупроводниках и В/м в диэлектриках. Для тепловых источников света напряженность поля не превышает В/м, поэтому интенсивность излучения тепловых источников недостаточна, чтобы изменить оптические характеристики среды. И только с появлением лазеров возникла практическая возможность создания полей с напряженностью В/м и сделать наблюдаемыми нелинейно-оптические эффекты.

Таким образом, в основе нелинейной оптики лежит нелинейность материальных уравнений. В этом случае возникает ряд принципиально новых оптических явлений, изучение которых составляет предмет нелинейной оптики. В настоящее время известно достаточно большое число нелинейных эффектов. К наиболее важным из них с практической точки зрения относятся следующие:

Генерация гармоник. В этом случае часть энергии излучения накачки частотой преобразуется в излучение с частотами , и т. д. Эффективность преобразования быстро снижается с увеличением номера гармоники, поэтому практическое значение имеют процессы генерации низших (второй, третьей) гармоник.

Параметрическая генерация света. При параметрической генерации часть энергии волны накачки с частотой в анизотропном кристалле преобразуется в излучение с частотами и , причем частоту можно плавно перестраивать, поворачивая кристалл, изменяя его температуру или в результате электрооптического эффекта. На основе этого эффекта созданы параметрические генераторы света с плавной перестройкой частоты.

Вынужденное рассеяние света. Интенсивная волна накачки частотой возбуждает вынужденные колебания частиц вещества с частотой . В результате взаимодействия излучения накачки с этими колебаниями в спектре рассеянного излучения наблюдаются комбинационные частоты , , При этом в зависимости от вида вынужденных колебаний различают вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама–Бриллюэна (ВРМБ). В первом случае комбинационные частоты определяются внутримолекулярными колебаниями частиц среды. В случае ВРМБ световая волна взаимодействует с упругими колебаниями кристаллической решетки вещества.

Помимо отмеченных нелинейных эффектов можно упомянуть оптическое детектирование, самопросветление и затемнение среды, самофокусировку света, исчезновение красной границы фотоэффекта, насыщение усиления и др.

Многие практически важные нелинейные явления можно рассматривать как преобразование света в свет (генерация гармоник, параметрическая генерация, ВКР, ВРМБ), сопровождающееся изменением частоты. Их можно представить как поглощение света веществом и последующее испускание вторичных волн. Эти процессы можно разделить на две группы: процессы некогерентные и когерентные. Для первых акты поглощения волны накачки и испускания вторичных волн частицами вещества разделены значительным (по атомным масштабам) промежутком времени, поэтому первичная и вторичная волны некогерентные. Для протекания данных процессов необходима достаточно высокая интенсивность волны накачки и согласование ее свойств с характеристиками вещества. Для когерентных процессов поглощение и испускание происходят практически одновременно (их называют виртуальными процессами), поэтому они могут рассматриваться как непосредственное взаимодействие первичной и вторичной волн. Виртуальный характер когерентных процессов требует определенного согласования частот и волновых векторов первичной и вторичных волн (так называемое условие волнового синхронизма). Явления генерации гармоник, параметрической генерации света и ВРМБ относятся к когерентным процессам.

Наиболее последовательное объяснение нелинейных эффектов возможно с позиций квантовой механики.