Нелинейно-оптические явления. Общая характеристика нло

Под нелинейно-оптическими явлениями в оптике понимают эффекты, определяемые процессами, нелинейно зависящими от интенсивности света, а область оптики, которая исследует и применяет эти эффекты, называется нелинейной оптикой.

Нелинейно-оптические эффекты лежат в основе принципа действия разнообразных приборов и устройств (оптических умножителей частоты, преобразователей сигналов и изображений, перестраиваемых параметрических генераторов света); существенно влияют на пространственно- временную структуру излучения и во многих случаях ограничивают предельную выходную мощность.

Нелинейные оптические эффекты обычно проявляются лишь в сильных световых полях, т. е. в таких, напряженность которых соизмерима с напряженностью внутриатомных полей. Известно, что напряженность внутриатомного поля для полупроводников имеет значение порядка 10⁷ В/см, а для диэлектриков — 10⁹ В/см. И если напряженность поля световой волны для тепловых источников света не превышает 10³ В/см, то в случае лазеров ситуация резко изменяется. Высокая пространственная когерентность лазерного излучения позволяет осуществлять значительную концентрацию световой энергии и получать световые пучки с интенсивностями 10⁸― 10¹¹Вт/см², чему отвечают напряженности поля 10⁵― 10⁸Вт/см². Теперь поле световой волны оказывается сопоставимо с внутриатомными полями, и световые волны, распространяясь в среде, взаимодействуют друг с другом, что проявляется в обмене энергией между разными волнами, в появлении одних волн за счет ослабления других.

Взаимодействие световых волн друг с другом обусловлено тем, что под действием внешнего электрического поля диэлектрики поляризуются: поле вызывает смещение электронных оболочек атомов относительно ядер, в результате чего атомы приобретают электрический дипольный момент. Поляризацию среды можно рассматривать как ее своеобразный отклик в ответ на внешнее воздействие, в качестве которого может выступать и мощное электрическое поле световой волны, распространяющееся по диэлектрику. Поляризация среды Р связана с напряженностью Е поляризующего поля простым соотношением: , где — диэлектрическая постоянная; — относительная диэлектрическая восприимчивость среды, зависящая от напряженности светового поля. Для удобства последующего анализа явлений разложим поляризацию по полю:

где — нелинейные восприимчивости. Этот ряд довольно быстро убывает. Отношение каждого последующего члена ряда к предыдущему имеет порядок величины EIEa, где Еа для электронной поляризации зависит от напряженности внутриатомного электрического поля (Еа ≈10⁸ В/см). Это выражение удобно использовать для классификации нелинейных материалов и нелинейных взаимодействий.

Первое слагаемое определяет поляризацию, а остальные слагаемые — нелинейную. Наибольшее применение нашли нелинейные эффекты, описываемые квадратичной нелинейной восприимчивостью. Соответствующие волновые нелинейные взаимодействия принято называть трехфотонными. Квадратичная поляризация обусловливает существование таких эффектов, как генерация второй гармоники, оптическое выпрямление, линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса) и параметрическая генерация. К эффектам, обязанным своим существованием кубической поляризации, относятся генерация третьей гармоники, квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра), двухфотонное поглощение, вынужденные рассеяния комбинационное, Мандельштама—Бриллюэна и релеевское.