Нелинейные оптические эффекты представляют собой совокупность явлений, возникающих при взаимодействии электромагнитного излучения высокой интенсивности с полупроводниковым материалом, когда поляризация среды перестает быть пропорциональной напряженности электрического поля света. В таких условиях линейное уравнение связи
P = ε0χ(1)E
заменяется более общим разложением:
P = ε0(χ(1)E + χ(2)E2 + χ(3)E3 + …),
где χ(n) — нелинейные оптические восприимчивости порядка n. Именно наличие членов высших порядков приводит к появлению целого спектра нелинейных эффектов, активно используемых в физике полупроводников.
Генерация второй гармоники (ГВГ). Полупроводники с нецентросимметричной кристаллической решеткой (например, GaAs, ZnSe) обладают ненулевой восприимчивостью второго порядка χ(2). В них возможно преобразование фотона частоты ω в фотон частоты 2ω. Это явление лежит в основе лазеров с удвоением частоты.
Суммарная и разностная генерация частот. При взаимодействии двух волн с частотами ω1 и ω2 возможна генерация новых компонент с частотами ω1 + ω2 и ω1 − ω2. Такие процессы применяются в источниках когерентного излучения в инфракрасном и терагерцовом диапазонах.
Параметрическое усиление. В условиях фазового синхронизма полупроводники могут служить средой для параметрического усиления слабого сигнала на частоте ω1 при наличии накачки на частоте ω2.
Оптический эффект Керра. Полупроводники с высоким χ(3) проявляют зависимость показателя преломления от интенсивности света:
n(I) = n0 + n2I,
где n2 — коэффициент нелинейного преломления. Данный эффект используется для создания самофокусировки пучков, формирования солитонов в волноводах, а также в устройствах быстрой оптической коммутации.
Третья гармоника. Генерация третьей гармоники (3ω) возможна даже в центросимметричных полупроводниках, где χ(2) = 0. Это важный инструмент спектроскопии, позволяющий исследовать электронные переходы и структуру запрещенной зоны.
Четырехволновое смешение. Процесс, при котором взаимодействие трех волн с частотами ω1, ω2, ω3 порождает новую волну с частотой ω4 = ω1 + ω2 − ω3. В полупроводниковых структурах этот эффект используется для усиления сигналов и генерации новых спектральных компонент.
Нелинейная восприимчивость сильно зависит от спектра межзонных переходов. При приближении частоты падающего излучения к краю запрещенной зоны наблюдаются резонансные усиления χ(2) и χ(3). Особенно важна роль экситонных состояний, которые резко увеличивают нелинейные отклики вблизи собственной частоты резонанса.
В квантово-размерных структурах (квантовые ямы, квантовые точки) нелинейные эффекты становятся значительно сильнее благодаря усилению осцилляторных сил и квантовому ограничению движения носителей.
При достаточно высокой интенсивности света, распространяющегося в полупроводниковом волноводе, изменение показателя преломления становится сравнимым с линейной дисперсией. Это приводит к самофокусировке, когда пучок удерживается в узкой области за счет собственной нелинейности среды.
Если при этом дисперсия и нелинейность точно уравновешиваются, образуются оптические солитоны — устойчивые импульсы, сохраняющие форму на больших расстояниях. Такие структуры находят применение в оптической связи и квантовой информатике.
Двухфотонное поглощение. В полупроводниках, где энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны, возможен переход электрона в зону проводимости при одновременном поглощении двух фотонов:
2ℏω ≥ Eg.
Это явление используется в двухфотонной микроскопии и для генерации носителей в фотоприемниках, чувствительных к ближнему ИК-диапазону.
Самоусиленное поглощение. При высоких интенсивностях света носители, возбуждённые в зону проводимости, могут изменять коэффициент поглощения, что приводит к нелинейным зависимостям пропускания от мощности.