Нелинейно-оптические эксперименты

Основные принципы нелинейной оптики

Нелинейная оптика (НЛО) изучает процессы взаимодействия интенсивного электромагнитного излучения с веществом, при которых поляризация среды перестаёт быть пропорциональной напряжённости электрического поля. При малых интенсивностях поля поляризация P выражается как:

P = ε₀χ⁽¹⁾E

где χ⁽¹⁾ — линейная восприимчивость. Однако при воздействии мощного лазерного излучения в уравнение добавляются высшие члены:

P = ε₀(χ⁽¹⁾E + χ⁽²⁾E² + χ⁽³⁾E³ + …)

Здесь χ⁽²⁾ и χ⁽³⁾ — коэффициенты нелинейной восприимчивости второго и третьего порядка, которые и определяют эффективность нелинейных процессов.

---

Классификация нелинейных процессов

1. Процессы второго порядка (χ⁽²⁾)

   • Генерация второй гармоники (ГВГ) — удвоение частоты лазерного излучения.
   • Суммарная и разностная генерация частот — формирование нового сигнала на частоте ω₃ = ω₁ ± ω₂.
   • Параметрическое усиление и генерация — создание нового излучения за счёт параметрического взаимодействия в нелинейном кристалле.

2. Процессы третьего порядка (χ⁽³⁾)

   • Генерация третьей гармоники.
   • Самофокусировка — фокусировка пучка вследствие зависимости показателя преломления от интенсивности.
   • Четырёхволновое смешение — образование нового сигнала при взаимодействии трёх волн.
   • Оптический Керр-эффект — изменение показателя преломления под действием сильного светового поля.

---

Ключевое условие – фазовое согласование

Для эффективного протекания нелинейных процессов необходимо фазовое согласование (phase matching), т.е. условие равенства векторов волновых чисел:

k₃ = k₁ + k₂

или, для генерации гармоник,

n(ω) ⋅ ω = n(2ω) ⋅ 2ω

Это условие обеспечивает когерентное накопление излучения в нелинейной среде. Для его реализации используются:

• Угловое фазовое согласование — поворот кристалла относительно пучка.
• Температурное согласование — подстройка температуры для изменения дисперсии.
• Квазипериодическая поляризация — поляризационная модуляция в сегментированных кристаллах (например, PPLN — периодически поляризованный ниобат лития).

---

Лазерные источники для НЛО-экспериментов

Для возбуждения нелинейных процессов необходимы лазеры с высокой пиковой мощностью и узкой спектральной шириной. Чаще всего применяются:

• Твердотельные лазеры на Nd:YAG с выходом на 1064 нм.
• Титан-сапфировые лазеры (700–1000 нм) с перестраиваемой частотой.
• Пикосекундные и фемтосекундные лазеры для процессов с ультракороткими импульсами.

---

Методы измерения нелинейных эффектов

1. Энергетические методы — измерение интенсивности выходного сигнала и её зависимости от мощности входного излучения.
2. Спектроскопические методы — анализ спектра генерации гармоник.
3. Метод Z-скана — перемещение образца вдоль оси пучка для определения коэффициентов нелинейного преломления и поглощения.

---

Экспериментальные установки

Типичная установка для генерации второй гармоники включает:

• Источник лазерного излучения.
• Систему формирования пучка (линзы, телескопы, пространственные фильтры).
• Нелинейный кристалл (KDP, BBO, LBO и др.).
• Оптические фильтры для удаления исходной частоты.
• Детектор (фотодиод, ПЗС-матрица, спектрометр).

При проведении экспериментов важна точная юстировка кристалла, стабилизация температуры и контроль параметров пучка.

---

Особенности нелинейных экспериментов с импульсными лазерами

• Высокая пиковая мощность импульсов позволяет возбуждать процессы высших порядков (χ⁽³⁾, χ⁽⁴⁾).
• Необходим контроль пространственной и временной формы импульса.
• Используются автокорреляторы для измерения длительности фемтосекундных импульсов.

---

Применения нелинейно-оптических явлений

• Преобразование частоты для создания источников УФ и ИК излучения.
• Лазерная спектроскопия высокого разрешения.
• Генерация сверхкоротких импульсов.
• Волоконная нелинейная оптика для телекоммуникаций.
• Лазерная микроскопия с использованием многократной генерации гармоник.