Нелинейная оптика часть I Т В Мурзина А

Нелинейная оптика (часть I) Т. В. Мурзина, А. А. Федянин Литература Н. Бломберген, «Нелинейная оптика» , «Мир» , 1966 Р. В. Хохлов, С. А. Ахманов, «Проблемы нелинейной оптики» , «Наука» , 1964 Р. Шен, «Принципы нелинейной оптики» , Москва, «Мир» , 1989. Д. Н. Клышко, «Физические основы квантовой электроники» Д. Н. Клышко, «Фотоны и нелинейная оптика» , «Наука» , 1986. 1

Лекция 1 Нелинейная оптика – область физики, изучающая оптические явления, в которых отклик вещества нелинейно зависит от амплитуд полей падающего на него электромагнитного излучения. (E), (E) Р. В. Хохлов: «Хорошо известно, что С. И. Вавилов – родоначальник нелинейной оптики. Его работа в этой области началась задолго до создания лазеров. Первый нелинейный эффект обнаружен С. И. Вавиловым и В. Л. Левшиным в 1926 г. и заключался в насыщении поглощения света в урановых стеклах» Рем Викторович Хохлов (1926– 1977 гг. ) Сергей Александрович Ахманов (1929– 1991 гг. ). (Проблемы нелинейной оптики, М. , 1964 г. ) 1961 г. - Franken et. al. обнаружили генерацию второй гармоники в кварце 2

Р. В. Хохлов, С. А. Ахманов МГУ им. М. В. Ломоносова Общепризнанно, что Р. В. Хохлов и С. А. Ахманов входят в немногочисленный круг основоположников современной нелинейной оптики N. Bloembergen Начало 60 -х г. г. 3

Нелинейная оптика - один из разделов более общего предмета, который можно было бы определить как "Взаимодействие и распространение лазерного излучения в веществе". Круг физических явлений, наблюдающихся при распространении электромагнитного (ЭМ) излучения через вещество, можно условно разделить на две группы явлений: - воздействие света на вещество; изменения в среде, вызванные световыми полями; зависимость параметров, описывающих среду, от амплитуды поля в световой волне. - воздействие вещества на световое поле; отличие в распространении света через вещество, по сравнению с его распространением в вакууме. В данном спецкурсе мы в основном будем рассматривать второй аспект проблемы: распространение лазерного излучения в веществе. 4

Поляризация и восприимчивость вещества Пусть в веществе распространяется плоская монохроматическая ЭМ волна Вектор электрической индукции , где полная поляризация среды может быть представлена в виде ряда по степеням напряженности электрического поля - нелинейные восприимчивости второго и третьего порядков В более общем виде, мы должны также учесть вклад в поляризацию и от магнитной компоненты ЭМ поля 5

Оценка величин нелинейных восприимчивостей Первая нелинейная добавка станет соизмерима с линейным вкладом , когда амплитуда накачки будет порядка напряженности внутриатомного поля, , где –е - заряд электрона, - Боровский радиус атома водорода. Тогда при нерезонансном взаимодействии Поскольку для конденсированного вещества , получаем Аналогично, 6

Принцип суперпозиции (и его нарушение в НО) невыполнение в нелинейном случае принципа суперпозиции, являющимся основополагающим принципом линейной оптики Пусть в среде распространяется ЭМ поле с дискретным спектром: Полная поляризации нелинейной среды на комбинационных частотах: : содержит компоненты спектральная (Фурье) компонента поляризации нелинейной среды на этой частоте Для квадратичной нелинейности 7

Возможность наблюдения нелинейных эффектов актуальны ли последующие (нелинейные) члены в ряду разложения поляризации по степеням поля? Динамика электрона в атоме определяется двумя полями: внутриатомным и световым. Сравним эти поля. Внутриатомное поле , где - боровский радиус. Оценка напряженности светового (лазерного) поля Вектор Умова - Пойнтинга: Для 8

9

Учет нелокальности Полная поляризация: - далеко не полная, поскольку описывает только локальный отклик системы на внешнее ЭМ поле, т. к. рассмотрение в этом случае ограничивается дипольным приближением. В более общем случае отклик нелокален: поляризация в точке зависит от значений внешнего поля в некоторой ее окрестности. 10

В декартовых координатах для плоской монохроматической волны Малый параметр мультипольного разложения: Нелинейная поляризация второго порядка: 11

Способы описания нужно определиться со способами описания вещества и поля. 1. Для описания оптических и нелинейно-оптических свойств вещества, иными словами, для описания и расчета поляризуемостей используется либо феноменологический подход, либо последовательная квантовая микроскопическая теория. 2. Вопрос в том как описывать ЭМ поле. Достаточно ли описывать ЭМ поле классической волной (волновым пакетом)? Нужно ли учитывать квантовую (фотонную) природу света? Иными словами, нужно ли учитывать неопределенность в измерении амплитуды и фазы поля? Т. е. нужно ли учитывать флуктуации числа фотонов в лазерном поле. Или, можно поставить вопрос так: хорошая ли волна - лазерное поле? 12

Общая классификация нелинейно-оптических эффектов В качестве основного классификационного признака выберем следующее утверждение: - если в результате процесса взаимодействия излучения с веществом вещество не меняет исходной внутренней энергии, то это параметрический процесс; - если в результате процесса взаимодействия внутренняя энергия вещества меняется, то процесс называется непараметрическим. 1. Закон сохранения энергии для участвующих во взаимодействии ЭМ полей: Параметрические: 2. Закон сохранения импульса для участвующих во взаимодействии ЭМ полей: условие пространственного (фазового) синхронизма. Непараметрические: закон сохранения энергии учитывает энергию элементарного возбуждения в среде, возникающего при взаимодействии света с веществом. 13

Основные нелинейно-оптические эффекты 1. Квадратичная среда. а) Генерация суммарной и разностной частоты. б) Параметрическое рассеяние света ПГС (OPO) 14

б) Генерация второй гармоники. в) Оптическое выпрямление. г) Эффект Поккельса. 15

2. Кубичная среда а) Генерация третьей гармоники б) Самовоздействие в) Эффект Керра 16

Кубичная среда Четырехволновое ваимодействие Генерация УФ излучения Генерация когерентного излучения 17

г) Электроиндуцированная вторая гармоника д) Магнитоиндуцированная вторая гармоника 18

Элементарные многофотонные процессы Фотоны Вторичного (спонтанного) излучения Фотоны накачки ГВГ Генерация параметрическое сумм. частоты разн. частоты рассеяние Не- и резонансное 2 -х – фот. Стоксово Антистоксово 2 -х – фот. погл. излучение рамановское рассеяние 19

Поглощение в заданном поле Диссипируемая мощность в слабо поглощающей среде: Здесь вектор Пойнтинга: C другой стороны, в немагнитной среде система макроскопических уравнений Максвелла имеет вид : 20

Средняя по времени поглощаемая мощность ЭМ излучения если то средняя по периоду поглощаемая мощность определяется амплитудами поля и Р 21