Нелинейна оптика (НЛО) е раздел от оптиката, който изследва явленията при разпространение на светлината в нелинейна среда. В такава среда диелектричната поляризация P не е линейна функция на електричното поле E на светлината. С други думи, атомните осцилатори не реагират линейно на падащите светлинни вълни. Обикновено такава нелинейност се наблюдава при много висок интензитет на светлината, например при лазерите.

В нелинейната оптика се изследват и използват многофотонни процеси, преобразуване на честотата на светлината, принудено предизвикани процеси като комбинационно разсейване на светлината и разсейване на Манделщам – Брилюен, самофокусиране, обръщане на вълновия фронт и др. Създадените въз основа на нелинейната оптика параметрични генератори (с пренастройване на честотата), оптични модулатори, оптични изправители и др. намират приложение в телекомуникациите и фотониката, обработката на информация, спектроскопията и оптичните схеми за изчислителната техника.

Научните изследвания в областта започват след откриването на генерацията на втора хармонична през 1961 под ръководството на Питър Франкън в Университета в Мичиган. Теоретичните основи на много нелинейни процеси са разгледани от Николас Блумберген в монографията „Nonlinear Optics“.

Определение за нелинейност При разпространение на мощна светлинна вълна през дадена среда диелектричната проницаемост и диелектричната възприемчивост свързани чрез

вече не могат да бъдат разглеждани като константи на средата, а стават функция на големината на електромагнитното поле. Тогава поляризацията P на средата (която при такива силни електромагнитни полета се нарича нелинейна среда) придобива вида:

,

където е диелектричната проницаемост на вакуума.

За описанието и класификацията на нелинейните процеси е удобно горният израз да бъде преписан във вид на ред по степените на големината на електричното поле:

),

където са нови константи на средата наричани нелинейни възприемчивости или нелинейности от втори, трети, четвърти ред, съответно. Диелектричната възприемчивост е тензор от втори ранг, а са тензори от трети, четвърти, пети ранг, съответно.

Множеството оптични явления, които са предмет на нелинейната оптика, най-общо могат да се групират според степента на израза за зависимостта на P от големината на електричното поле E.

- квадратични нелинейни оптични ефекти, на базата на нелинейности. Тези ефекти могат да се наблюдават в среди без център на инверсия;

- кубични нелинейни оптични ефекти, на базата на нелинейности. Тези ефекти могат да се наблюдават във всички среди, както с център, така и без център на инверсия;

- нелинейни оптични ефекти от по-висок порядък на базата на (n> 3) нелинейности.

Квадратични нелинейни оптични явления Генерация на втора хармонична (ГВХ), или удвояване на честотата, генерация на светлина с удвоена честота (половин дължина на вълната); Генерация на сумарна честота (ГСЧ), генерация на светлина с честота, която е сума от две други честоти (ГВХ е частен случай на ГСЧ); Генерация на разликова честота (ГРЧ), генерация на светлина с честота, която е разликата от две други честоти; Оптичен параметричен усилвател, усилване на входен сигнал в присъствието на по-високочестотна напомпваща вълна, като в същото време се генерира допълнителна вълна с честота равна на разликата на честотите на напомпването и сигналната вълна (може да се приеме като ГРЧ); Оптичен параметричен осцилатор, генерация на сигнална и допълнителна вълна използвайки параметричен усилвател в резонатор (само с напомпване – без сигнална вълна на входа); Параметрична генерация, като параметричната осцилация, но без резонатор, вместо това се използва много високо усилване; Оптично изправяне, генерация на постоянно електрично поле или на електрично поле с ниски честоти при облъчване на прозрачни среди с мощно лазерно лъчение;

Кубични нелинейни оптични явления Генерация на трета хармонична (ГТХ), генерация на светлина с утроена честота (една трета от дължината на вълната). Наблюдава се в единична среда чрез директно утрояване на честотата на база на кубичната нелинейност на средата. За получаване на по-голяма ефективност се осъществява в среди с квадратична нелинейност на две стъпки: ГВХ следвана от ГСЧ на основната вълна и генерираната вече вълна с удвоена честота; Спонтанно параметрично преобразуване, усилване на флуктуациите на вакуума в режим на слабо усилване; Четиривълново смесване (ЧВС), използва се за преобразуване на честоти в среди с център на инверсия, например газообразни среди; Фазова само модулация (SPM), ефект; Само-фокусировка процес силно свързан с фазовата само модулация; Индуцирана фазова модулация (XPM) ефект; Оптически ефект на Кер, индуцирана промяна на коефициента на пречупване от мощно светлинно поле; Керовска синхронизация на модовете (KML), метод за синхронизация на модовете на базата на ефекта на само-модулация. Използва се при лазерите, генериращи в пикосекундния и фемтосекундния времеви диапазон; Обръщане на вълновия фронт (ОВФ) процес при който се светлинната вълна преобразува вълновия си фронт в комплексно спрегнат. Например, вдлъбнат фазов фронт вследствие на този кубичен процес става изпъкнал или обратното. Двуфотонно поглъщане, ефект при който вследствие на едновременното поглъщане на два фотона атомите, молекулите, средите могат да преминат в по-високо енергетично състояние; Генерация на перпендикулярно-поляризирана вълна, ефект, наблюдаван в кубични кристали, като например BaF2;

Често използвани материали за ГВХ 806 nm : литиев йодат (LiIO3) 860 nm : калиев ниобат (KNbO3) 980 nm : KNbO3 1064 nm : монокалиев фосфат (KH2PO4, KDP), литиев триборат (LBO) и β-бариев борат (BBO). 1300 nm : GaSe 1319 nm : KNbO3, BBO, KDP, калиев титанил фосфат (KTP), литиев ниобат (LiNbO3), LiIO3 и амониев дихидрофосфат (ADP)

Източници