Óptica no lineal

La óptica no lineal ( NLO ) es la rama de la óptica que describe el comportamiento de la luz en medios no lineales , es decir, medios en los que la densidad de polarización P responde de forma no lineal al campo eléctrico E de la luz. La no linealidad se observa típicamente solo a intensidades de luz muy altas (valores de campos eléctricos atómicos, típicamente 10 ⁸ V / m) como los que proporcionan los láseres . Por encima del límite de Schwinger , se espera que el vacío en sí se vuelva no lineal. En óptica no lineal, el principio de superposición ya no se cumple.^{[1] [2] [3]}

El primer efecto óptico no lineal que se predijo fue la absorción de dos fotones , por Maria Goeppert Mayer para su doctorado en 1931, pero siguió siendo una curiosidad teórica inexplorada hasta 1961 y la observación casi simultánea de la absorción de dos fotones en Bell Labs ^[4] y el descubrimiento de la generación del segundo armónico por Peter Franken et al. en la Universidad de Michigan , ambos poco después de la construcción del primer láser por Theodore Maiman . ^[5] Sin embargo, se descubrieron algunos efectos no lineales antes del desarrollo del láser. ^[6]La base teórica de muchos procesos no lineales se describió por primera vez en la monografía de Bloembergen "Nonlinear Optics". ^[7]

La óptica no lineal explica la respuesta no lineal de propiedades como frecuencia , polarización, fase o trayectoria de la luz incidente. ^[5] Estas interacciones no lineales dan lugar a una serie de fenómenos ópticos:

En estos procesos, el medio tiene una respuesta lineal a la luz, pero las propiedades del medio se ven afectadas por otras causas:

Los efectos no lineales se dividen en dos categorías cualitativamente diferentes, efectos paramétricos y no paramétricos. Una no linealidad paramétrica es una interacción en la que el estado cuántico del material no lineal no cambia por la interacción con el campo óptico. Como consecuencia de esto, el proceso es "instantáneo". La energía y el impulso se conservan en el campo óptico, lo que hace que la coincidencia de fases sea importante y dependa de la polarización. ^{[15] [16]}

Los fenómenos ópticos paramétricos e "instantáneos" (es decir, el material debe ser sin pérdidas y sin dispersión a través de las relaciones de Kramers-Kronig ), en los que los campos ópticos no son demasiado grandes , se pueden describir mediante una expansión en serie de Taylor de la densidad de polarización dieléctrica ( dipolo eléctrico momento por unidad de volumen) P ( t ) en el tiempo t en términos del campo eléctrico E ( t ):

Estructura del cristal KTP , visto hacia abajo del eje b, utilizado en la segunda generación de armónicos.

La mayoría de los materiales transparentes, como el vidrio BK7 que se muestra aquí, tienen una dispersión normal : el índice de refracción disminuye monótonamente en función de la longitud de onda (o aumenta en función de la frecuencia). Esto hace que la coincidencia de fases sea imposible en la mayoría de los procesos de mezcla de frecuencias. Por ejemplo, en SHG, no existe una solución simultánea para y en estos materiales. Los materiales birrefringentes evitan este problema al tener dos índices de refracción a la vez. ^[17]${\ Displaystyle \ omega '= 2 \ omega}$${\ Displaystyle \ mathbf {k} '= 2 \ mathbf {k}}$

El fotón de vórtice (azul) con momento lineal y momento angular se refleja en un espejo de conjugación de fase perfecta. Lo normal al espejo es , el eje de propagación es . El fotón reflejado (magenta) tiene momento lineal y momento angular opuestos . Debido a las leyes de conservación, el espejo de PC experimenta retroceso: el fonón de vórtice (naranja) con momento lineal duplicado y momento angular se excita dentro del espejo.${\ Displaystyle \ mathbf {P} = \ hbar \ mathbf {k}}$${\ Displaystyle L = \ pm \ hbar \ ell}$${\ Displaystyle {\ vec {n}}}$${\displaystyle {\vec {z}}}$${\displaystyle \mathbf {P} =-\hbar \mathbf {k} }$${\displaystyle L=\mp \hbar \ell }$${\displaystyle \mathbf {P} =2\hbar \mathbf {k} }$${\displaystyle L=\pm 2\hbar \ell }$

Comparación de un espejo de fase conjugada con un espejo convencional. Con el espejo de conjugación de fase, la imagen no se deforma al pasar dos veces por un elemento aberrante. ^[26]

Seleniuro de galio rojo oscuro en su forma a granel