Нелинейная оптика изучает взаимодействие интенсивных электромагнитных полей с веществом, при котором ответ материала не является линейным по отношению к полю. В наноструктурах усиление нелинейных эффектов связано с локализацией электромагнитного поля и квантовыми размерами.
Нелинейность проявляется в зависимости поляризации среды P от электрического поля E:
P = ε0(χ(1)E + χ(2)E2 + χ(3)E3 + …)
где χ(1) — линейная восприимчивость, χ(2), χ(3) — нелинейные коэффициенты второй и третьей порядков соответственно.
Наночастицы металлов (например, золота, серебра) обладают поверхностным плазмонным резонансом — коллективным колебанием свободных электронов, возбуждаемым светом. Этот резонанс вызывает сильное локальное усиление электромагнитного поля у поверхности наночастицы, что значительно увеличивает нелинейные оптические процессы.
С помощью плазмонных наночастиц можно повысить эффективность:
Второй порядок нелинейности χ(2) отсутствует в объемных centrosymmetric материалах, но может возникать на границах и в ассиметричных наноструктурах. Наночастицы с ассиметрией формы или расположенные на подложке создают эффективные площадки для генерации второго гармонического сигнала, что используется для оптической диагностики и визуализации на наноуровне.
Нелинейная восприимчивость третьего порядка χ(3) отвечает за эффекты изменения показателя преломления с интенсивностью света (оптический эффект Керра), самофокусировку и четырехволновое смешивание.
В наноструктурах наблюдается значительное усиление χ(3) из-за локального усиления поля и резонансных эффектов, что открывает возможности для создания нанофотонных устройств с малой энергопотребляемостью.
В полупроводниковых квантовых точках и нанопроводах электронные и оптические свойства сильно изменяются с уменьшением размера, что приводит к сдвигу резонансных частот и усилению нелинейных откликов. Квантовое ограничение изменяет плотность состояний, увеличивает нелинейные оптические коэффициенты и снижает энергию активации процессов нелинейного поглощения.