Análisis detallado sobre óptica no lineal y procesos no lineales importantes

Análisis detallado sobre óptica no lineal y procesos no lineales importantes

ÓPTICA NO LINEAL

La óptica no lineal o NLO se refiere a la rama de la óptica que estudia las propiedades de la luz en un medio no lineal. En medios no lineales, la densidad de polarización (P) interactúa de forma no lineal con el campo eléctrico de la luz (E). En general, la no linealidad de la luz se puede examinar a intensidades de luz extremadamente altas (valores de campos eléctricos atómicos, generalmente 108 V / m), producidos por láseres. Se estima que un vacío se convierte en un medio no lineal después de cruzar el límite de Schwinger. El principio de superposición no se puede aplicar a ópticas no lineales.

óptica no lineal
Los láseres con alta intensidad óptica pueden dar lugar a varias propiedades ópticas no lineales.
Fuente: Pangkakit at Wikipedia en chinoPunteros LáserCC BY-SA 3.0

Historia de la óptica no lineal

Maria Goeppert Mayer fue la primera persona en observar el efecto óptico no lineal durante la absorción de dos fotones en 1931. Sin embargo, esta teoría permaneció inexplorada hasta 1961. En 1961, los laboratorios Bell realizaron experimentos para observar la absorción de dos fotones. Simultáneamente, Peter Franken et al. de la Universidad de Michigan descubrió la segunda generación armónica. Ambos avances ocurrieron poco después de que Theodore Maiman desarrollara el primer láser. Sin embargo, ciertas propiedades de la óptica no lineal salieron a la luz antes de la construcción del láser. La monografía de Bloembergen "óptica no lineal" fue la primera en describir y establecer la teoría básica de varios procesos de óptica no lineal.

¿Qué son los procesos ópticos no lineales?

La óptica no lineal explica además la respuesta no lineal de propiedades como polarización, frecuencia, longitud de onda, camino o fase de la luz incidente, interacción con diferentes medios, etc. Tales interacciones no lineales conducen a varios fenómenos ópticos:

Procesos de mezcla de frecuencias

Generación de segundo armónico (shg) o duplicación de frecuencia: SHG se refiere al proceso de generación de luz con una frecuencia dos veces mayor que la luz original (o la mitad de la longitud de onda). En este proceso, se destruyen dos fotones para producir un solo fotón que tiene el doble de frecuencia.

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Diagrama del proceso de GAA. JkwchuiSegunda generación armónicaCC BY-SA 3.0

Generación de tercer armónico (thg): THG se refiere al proceso de generación de luz con una frecuencia tres veces mayor que la de la luz original (o un tercio de la longitud de onda). En este proceso, se destruyen tres fotones para producir un solo fotón, habiéndose triplicado su frecuencia.

Generación de altos armónicos (hhg): HHG se refiere al proceso de generación de luz con frecuencias varias veces mayores que las originales (generalmente de 100 a 1000 veces mayores).

Generación de frecuencia de suma (sfg): El proceso de suma de dos frecuencias separadas para generar luz que tiene la frecuencia resultante se llama SFG.

Generación de frecuencia de diferencia (dfg): El proceso de restar dos frecuencias separadas para generar la frecuencia resultante se llama DFG.

Amplificación paramétrica óptica (opa): OPA se refiere al proceso de amplificación de la entrada de señal mediante la utilización de una onda de bombeo de frecuencia más alta y al mismo tiempo creando una onda inactiva.

Oscilación paramétrica óptica (opo): OPO se refiere al proceso de generación de señal y de onda inactiva en un resonador con la ayuda de un amplificador paramétrico (sin ninguna entrada de señal).

Generación óptica paramétrica (opg): OPG es similar a la oscilación paramétrica, pero no incluye un resonador y en su lugar incorpora una ganancia extremadamente alta.

Generación de medios armónicos: Es un caso particular de opg u opo. En esto, el loco y la señal degeneran en una sola frecuencia.

Conversión descendente paramétrica espontánea (spdc): SPDC se refiere al proceso de amplificación de la fluctuación del vacío que pertenece al régimen de baja ganancia.

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Crédito de imagen del esquema spdc: wikipedia común

Rectificación óptica (o): OR se refiere al proceso de creación de campos eléctricos cuasiestáticos.

• Interacción de materia luminosa no lineal con plasmas y electrones libres.

Otros procesos no lineales

Efecto Kerr óptico, que representa el índice de refracción dependiente de la intensidad.

Efecto Kerr: El efecto Kerr (a veces denominado efecto electroóptico cuadrático) se refiere al cambio en el índice de refracción de un medio influenciado por un campo eléctrico aplicado.
  • Autoenfoque ocurre como resultado del efecto óptico Kerr (y posiblemente no linealidades de orden superior). Produce una variación espacial en el índice de refracción debido a la variación espacial en la intensidad.
  • Bloqueo de modo de lente Kerr (klm): KLM se refiere al uso del mecanismo de autoenfoque en un láser de bloqueo de modo.
  • Modulación de fase propia (spm): SPM generalmente se refiere al efecto producido debido al efecto óptico Kerr. Produce una variación temporal del índice de refracción debido a la variación temporal de la intensidad.
  • Solitones ópticos: OS se refiere a una solución de equilibrio para un modo espacial (solitón espacial) o pulso óptico (solitón temporal) que permanece sin cambios durante la propagación. Esto sucede como resultado del equilibrio mantenido entre el efecto Kerr y la dispersión.

Modulación de fase cruzada (xpm): En XPM, una cierta longitud de onda de luz puede influir en la fase de una longitud de onda de luz diferente debido al efecto óptico de Kerr.

Mezcla de cuatro ondas (fwm): FWM se crea a partir de otras no linealidades.

Generación de ondas con polarización cruzada (xpw): XPW se refiere al efecto que genera una onda que tiene el vector de polarización ortogonal a la onda de entrada.

Amplificación Raman

Inestabilidad modulacional.

Conjugación de fase óptica: Se refiere a la inversión de la dirección de propagación y la fase de un haz de luz dado.

Dispersión de Brillouin estimulada: Esto se refiere a la interacción de fotones con fonones acústicos.

Absorción de fotones múltiples: Esto se refiere a la transferencia de energía a un solo electrón mediante la absorción de dos o más fotones simultáneamente.

Múltiples fotoionizaciones: Esto se refiere a la exclusión de varios electrones ligados por un solo fotón casi simultáneamente.

Caos óptico: Esto se refiere a las inestabilidades del láser observadas en varios sistemas ópticos no lineales.

Procesos relacionados con la óptica no lineal:

Los procesos en los que el medio observa una interacción lineal de la luz, pero se ven afectados por varias otras causas:

Efecto pockels: En esto, el índice de refracción del medio está influenciado por un campo eléctrico estático. Esto se encuentra en moduladores electroópticos.

Acústica-óptica: En este, el índice de refracción del medio está influenciado por ondas acústicas (ultrasonido). Se utiliza en moduladores acústico-ópticos.

Óptica molecular no lineal 

Las primeras observaciones sobre la óptica y los medios no lineales se concentraron principalmente en los sólidos inorgánicos. Con el tiempo, a medida que surgieron más estudios relacionados con la óptica no lineal, se investigó el campo de la óptica molecular no lineal. 

Los primeros enfoques que se utilizaron para mejorar las propiedades no lineales o las no linealidades comprenden los procesos de

  • Expansión de sistemas π de cromóforos.
  • Ampliación de la conjugación en 2D. 
  • Alterando la alternancia de la longitud del enlace.
  • Ingeniería de distribuciones de carga multipolar.
  • Inducir la transferencia de carga intramolecular.

En los últimos años, se diseñaron varias direcciones novedosas para la manipulación de la luz y la no linealidad mejorada. Algunas de esas propuestas incluían una cascada de no linealidad de segundo orden microscópicamente, combinando una rica densidad de estados con alternancia de enlaces, cromóforos retorcidos, etc. Los ilustres beneficios de la óptica molecular no lineal han dado como resultado que se utilice de manera significativa en el campo de la biofotónica que incluye la biosensores, bioimagen, fototerapia, etc.

La óptica molecular no lineal se basa en la teoría del modelo de suma sobre estados (SOS). La interacción de una sola molécula aislada con la radiación se estudia mediante la teoría de la perturbación de primer orden. Las expresiones resultantes para las hiperpolarizabilidades moleculares no lineales y la polarizabilidad lineal dependen de las propiedades de los momentos de transición de los dipolos eléctricos y de los estados moleculares de las transiciones inducidas por la luz entre ellos. 

Formación de patrones ópticos no lineales

Cuando los campos ópticos se transmiten a través de medios Kerr no lineales, pueden mostrar alguna forma de formación de patrones. Esto sucede debido a la amplificación del ruido espacial y temporal por el medio no lineal. Este efecto se denomina inestabilidad de modulación óptica. La inestabilidad de la modulación óptica se ha percibido en ambos sistemas fotónicos, fotorrefractivos y fotorreactivos. La no linealidad óptica inducida por reacción aumenta en el índice de refracción para los sistemas fotorreactivos.

Conjugación de fase óptica

Los procesos ópticos no lineales han hecho posible invertir la dirección de propagación y la variación de fase de un haz de luz. El haz invertido se denomina haz conjugado (de ahí el nombre de conjugación de fase óptica) del original. Esta técnica también se conoce como inversión de frente de onda de inversión en el tiempo. El instrumento que produce tales haces conjugados se conoce como espejo conjugado de fase (PCM).

Para saber más sobre la energía lumínica visite https://lambdageeks.com/light-energy-light-energy-examples-and-uses/ & https://lambdageeks.com/a-detailed-overview-on-lensometer-working-uses-parts/

Para saber más sobre telescopios visite https://lambdageeks.com/newtonian-telescope/ & https://lambdageeks.com/reflecting-telescope/

Sobre Sanchari Chakraborty

Análisis detallado sobre óptica no lineal y procesos no lineales importantesSoy un estudiante entusiasta, actualmente invertido en el campo de la Óptica Aplicada y la Fotónica. También soy miembro activo de SPIE (Sociedad internacional de óptica y fotónica) y OSI (Sociedad óptica de India). Mis artículos tienen como objetivo sacar a la luz temas de investigación científica de calidad de una manera simple pero informativa. La ciencia ha ido evolucionando desde tiempos inmemoriales. Por lo tanto, intento aprovechar la evolución y presentarla a los lectores.

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