Óptica não linear ou NLO refere-se ao ramo da óptica que estuda as propriedades da luz em um meio não linear. Em meios não lineares, a densidade de polarização (P) interage de forma não linear com o campo elétrico da luz (E). Geralmente, a não linearidade da luz pode ser examinada em intensidades de luz extremamente altas (valores de campos elétricos atômicos, geralmente 108 V / m), conforme produzido por lasers. Estima-se que um vácuo se torne uma mídia não linear após cruzar o limite de Schwinger. O princípio de superposição não pode ser aplicado a óptica não linear.
História da óptica não linear
Maria Goeppert Mayer foi a primeira pessoa a observar o efeito óptico não linear durante a absorção de dois fótons em 1931. No entanto, essa teoria permaneceu inexplorada até 1961. Em 1961, os laboratórios de Bell conduziram experimentos para observar a absorção de dois fótons. Simultaneamente, Peter Franken et al. da Universidade de Michigan descobriu a geração de segundo harmônico. Ambos os avanços ocorreram logo depois que Theodore Maiman desenvolveu o primeiro laser. No entanto, certas propriedades da óptica não linear foram reveladas antes da construção do laser. A monografia de Bloembergen “óptica não linear” foi a primeira a descrever e estabelecer a teoria básica para vários processos ópticos não lineares.
Fonte: Pangkakit at Wikipedia em chinês, Ponteiros laser, CC BY-SA 3.0
O que são processos ópticos não lineares?
A óptica não linear explica ainda a resposta não linear de propriedades, como polarização, frequência, comprimento de onda, caminho ou fase da luz incidente, interação com diferentes meios, etc. Essas interações não lineares levam a vários fenômenos ópticos:
Processos de mistura de frequência
. Geração de segundo harmônico (shg) ou duplicação de frequência: SHG refere-se ao processo de geração de luz com uma frequência duas vezes maior que a luz original (ou metade do comprimento de onda). Nesse processo, dois fótons são destruídos para produzir um único fóton com frequência dobrada.
. Geração de terceiro harmônico (thg): THG se refere ao processo de geração de luz com uma frequência três vezes maior que a da luz original (ou um terço do comprimento de onda). Nesse processo, três fótons são destruídos para a produção de um único fóton, tendo sua freqüência triplicada.
. Geração de alta harmônica (hhg): HHG refere-se ao processo de geração de luz com frequências várias vezes mais do que o original (geralmente 100 a 1000 vezes maior).
. Geração de soma de frequência (sfg): O processo de soma de duas frequências separadas para gerar luz com a frequência resultante é denominado SFG.
. Geração de frequência de diferença (dfg): O processo de subtração de duas frequências separadas para gerar a frequência resultante é chamado de DFG.
. Amplificação paramétrica óptica (opa): OPA refere-se ao processo de amplificação de entrada de sinal utilizando uma onda de bomba de frequência mais alta e criando simultaneamente uma onda intermediária.
. Oscilação paramétrica óptica (opo): OPO se refere ao processo de geração de sinal e de onda intermediária em um ressonador com a ajuda de um amplificador paramétrico (sem entrada de sinal).
. Geração paramétrica óptica (opg): OPG é semelhante à oscilação paramétrica, mas não inclui um ressonador e incorpora um ganho extremamente alto.
. Geração de meio-harmônico: É um caso particular de opg ou opo. Nisto, o idler e o sinal degeneram em uma única frequência.
. Conversão descendente paramétrica espontânea (spdc): SPDC refere-se ao processo de amplificação de flutuação de vácuo pertencente ao regime de baixo ganho.
. Retificação óptica (ou): OR refere-se ao processo de criação de campos elétricos quase estáticos.
• Interação de matéria-luz não linear com plasmas e elétrons livres.
Outros processos não lineares
. Efeito Kerr óptico, que representa o índice de refração dependente da intensidade.
Efeito Kerr: O efeito Kerr (às vezes referido como efeito eletro-óptico quadrático) refere-se à mudança no índice de refração de um meio influenciado por um campo elétrico aplicado.
. Modulação de fase cruzada (xpm): No XPM, um determinado comprimento de onda da luz pode influenciar a fase de um comprimento de onda diferente da luz devido ao efeito Kerr óptico.
. Mistura de quatro ondas (fwm): FWM é criado a partir de outras não linearidades.
. Geração de onda polarizada cruzada (xpw): XPW refere-se ao efeito que gera uma onda com o vetor de polarização ortogonal à onda de entrada.
. Amplificação Raman
. Instabilidade modulacional.
. Conjugação de fase óptica: Refere-se à reversão da direção e fase de propagação de um determinado feixe de luz.
. Espalhamento de Brillouin estimulado: Isso se refere à interação do fóton com os fônons acústicos.
. Absorção de multi-fótons: Isso se refere à transferência de energia para um único elétron pela absorção de dois ou mais fótons simultaneamente.
. Fotoionizações múltiplas: Refere-se à exclusão de vários elétrons ligados por um único fóton quase simultaneamente.
. Caos óptico: Isso se refere às instabilidades do laser observadas em vários sistemas ópticos não lineares.
Processos relacionados à óptica não linear:
Os processos em que o médium observa uma interação linear da luz, mas são afetados por várias outras causas:
. Efeito Pockels: Neste, o índice de refração do meio é influenciado por um campo elétrico estático. Isso é encontrado em moduladores eletro-ópticos.
- Espalhamento Raman: Neste, os fótons interagem com fônons ópticos.
. Acusto-ótica: Neste, o índice de refração do meio é influenciado por ondas acústicas (ultrassom). Isso é usado em moduladores óticos acústicos.
Óptica molecular não linear
As primeiras observações sobre óptica e meios não lineares concentraram-se principalmente nos sólidos inorgânicos. Com o tempo, à medida que mais estudos relacionados à óptica não linear surgiam, o campo da óptica não linear molecular foi investigado.
As primeiras abordagens que foram usadas para melhorar as propriedades não lineares ou não linearidades compreendem os processos de
Nos últimos anos, várias novas direções foram planejadas para manipulação de luz e não linearidade aprimorada. Algumas dessas propostas incluíam cascata de não linearidade de segunda ordem microscopicamente, combinando densidade rica de estados com alternância de ligações, cromóforos de torção, etc. Os ilustres benefícios da óptica não linear molecular resultaram em seu uso significativo no campo da biofotônica que inclui biossensor, bioimagem, fototerapia, etc.
A óptica não linear molecular é baseada na teoria do modelo de soma sobre estados (SOS). A interação de uma única molécula isolada com a radiação é estudada pela teoria de perturbação de primeira ordem. As expressões resultantes para as hiperpolarizabilidades moleculares não lineares e polarizabilidade linear são dependentes das propriedades dos momentos de transição dos dipolos elétricos e dos estados moleculares para as transições induzidas pela luz entre eles.
Formação de padrão óptico não linear
Quando os campos ópticos são transmitidos por meio de mídia Kerr não linear, eles podem exibir alguma forma de formação de padrão. Isso ocorre devido à amplificação do ruído espacial e temporal pelo meio não linear. Esse efeito é denominado instabilidade de modulação óptica. A instabilidade da modulação óptica foi percebida em ambas as redes fotônicas, foto-refrativas junto com sistemas foto-reativos. A não linearidade óptica induzida por reação aumenta no índice de refração para os sistemas foto-reativos.
Conjugação de fase óptica
Processos ópticos não lineares tornaram possível inverter a direção de propagação e variação de fase de um feixe de luz. O feixe invertido é denominado feixe conjugado (daí o nome conjugação de fase óptica) do original. Essa técnica também é conhecida como reversão da frente de onda da reversão do tempo. O instrumento que produz tais feixes conjugados é conhecido como espelho conjugado de fase (PCM).
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