Analyse détaillée sur l'optique non linéaire et les processus non linéaires importants

OPTIQUES NON LINÉAIRES

L'optique non linéaire ou NLO fait référence à la branche de l'optique qui étudie les propriétés de la lumière dans un milieu non linéaire. Dans les milieux non linéaires, la densité de polarisation (P) interagit de manière non linéaire avec le champ électrique de la lumière (E). Généralement, la non-linéarité de la lumière peut être examinée à des intensités lumineuses extrêmement élevées (valeurs des champs électriques atomiques, généralement 108 V / m), telles qu'elles sont produites par les lasers. On estime qu'un vide devient un milieu non linéaire après avoir franchi la limite de Schwinger. Le principe de superposition ne peut pas être appliqué aux optiques non linéaires.

optique non linéaire
Les lasers à haute intensité optique peuvent donner lieu à plusieurs propriétés optiques non linéaires.
La source: Pangkakit at Wikipédia chinoisPointeurs laserCC BY-SA 3.0

Histoire de l'optique non linéaire

Maria Goeppert Mayer a été la première personne à observer l'effet optique non linéaire lors de l'absorption à deux photons en 1931. Cependant, cette théorie est restée inexplorée jusqu'en 1961. En 1961, les laboratoires Bell ont mené des expériences pour observer l'absorption à deux photons. Simultanément, Peter Franken et al. de l'Université du Michigan a découvert la génération de deuxième harmonique. Ces deux progrès ont eu lieu peu de temps après que Théodore Maiman a développé le premier laser. Cependant, certaines propriétés des optiques non linéaires ont été mises en évidence avant la construction du laser. La monographie de Bloembergen «optique non linéaire» a été la première à décrire et à établir la théorie de base de plusieurs processus d'optique non linéaire.

Que sont les processus optiques non linéaires?

L'optique non linéaire explique en outre la réponse non linéaire de propriétés telles que la polarisation, la fréquence, la longueur d'onde, le trajet ou la phase de la lumière incidente, l'interaction avec différents milieux, etc. De telles interactions non linéaires conduisent à plusieurs phénomènes optiques:

Processus de mélange de fréquences

Génération de deuxième harmonique (shg) ou doublage de fréquence: SHG fait référence au processus de génération de lumière avec une fréquence égale à deux fois la lumière d'origine (ou la moitié de la longueur d'onde). Dans ce processus, deux photons sont détruits pour produire un seul photon ayant une fréquence doublée.

Schéma du processus SHG. JkwchuiDeuxième génération harmoniqueCC BY-SA 3.0

Génération de troisième harmonique (thg): THG fait référence au processus de génération de lumière avec une fréquence trois fois celle de la lumière d'origine (ou un tiers de la longueur d'onde). Dans ce processus, trois photons sont détruits pour produire un seul photon, ayant triplé la fréquence.

Génération d'harmoniques élevées (hhg): HHG fait référence au processus de génération de lumière avec des fréquences plusieurs fois supérieures à l'original (généralement 100 à 1000 fois plus élevées).

Génération de fréquence somme (sfg): Le processus de sommation de deux fréquences distinctes pour générer de la lumière ayant la fréquence résultante est appelé SFG.

Génération de différence de fréquence (dfg): Le processus de soustraction de deux fréquences distinctes pour générer la fréquence résultante est appelé DFG.

Amplification paramétrique optique (opa): OPA fait référence au processus d'amplification d'entrée de signal en utilisant une onde de pompe à plus haute fréquence et en créant simultanément une onde de ralenti.

Oscillation paramétrique optique (opo): OPO fait référence au processus de génération de signal et d'onde libre dans un résonateur à l'aide d'un amplificateur paramétrique (sans aucune entrée de signal).

Génération paramétrique optique (OPG): OPG est similaire à l'oscillation paramétrique, mais il n'inclut pas de résonateur et incorporant à la place un gain extrêmement élevé.

Génération demi-harmonique: C'est un cas particulier d'OPG ou d'opo. En cela, le ralenti et le signal dégénèrent en une seule fréquence.

Conversion descendante paramétrique spontanée (SPDC): SPDC fait référence au processus d'amplification des fluctuations de vide appartenant au régime à faible gain.

Crédit d'image du schéma SPDC: wikipedia commun

Rectification optique (ou): OU fait référence au processus de création de champs électriques quasi-statiques.

• Interaction de la lumière-matière non linéaire avec les plasmas et les électrons libres.

Autres processus non linéaires

Effet Kerr optique, qui représente l'indice de réfraction dépendant de l'intensité.

Effet Kerr: L'effet Kerr (parfois appelé effet électro-optique quadratique) fait référence à la modification de l'indice de réfraction d'un milieu influencé par un champ électrique appliqué.
  • Mise au point automatique se produit à la suite de l'effet optique Kerr (et éventuellement de non-linéarités d'ordre supérieur). Il produit une variation spatiale de l'indice de réfraction en raison de la variation spatiale de l'intensité.
  • Verrouillage de mode d'objectif Kerr (klm): KLM fait référence à l'utilisation du mécanisme d'autofocus sur un laser à verrouillage de mode.
  • Modulation auto-phase (spm): SPM se réfère généralement à l'effet produit à cause de l'effet optique Kerr. Il produit une variation temporelle de l'indice de réfraction due à la variation temporelle de l'intensité.
  • Solitons optiques: OS fait référence à une solution d'équilibre pour un mode spatial (soliton spatial) ou une impulsion optique (soliton temporel) qui reste inchangé pendant la propagation. Cela se produit en raison de l'équilibre maintenu entre l'effet Kerr et la dispersion.

Modulation de phase croisée (xpm): Dans XPM, une certaine longueur d'onde de la lumière peut influencer la phase d'une longueur d'onde différente de la lumière en raison de l'effet optique Kerr.

Mélange à quatre ondes (fwm): FWM est créé à partir d'autres non-linéarités.

Génération d'ondes à polarisation croisée (xpw): XPW fait référence à l'effet qui génère une onde ayant le vecteur de polarisation orthogonal à l'onde d'entrée.

Amplification Raman

Instabilité modulatoire.

Conjugaison de phase optique: Il s'agit de l'inversion de la direction et de la phase de propagation d'un faisceau lumineux donné.

Diffusion Brillouin stimulée: Cela fait référence à l'interaction des photons avec les phonons acoustiques.

Absorption multi-photons: Cela fait référence au transfert d'énergie en un seul électron par l'absorption de deux photons ou plus simultanément.

Photoionisations multiples: Ceci fait référence à l'exclusion de plusieurs électrons liés par un seul photon presque simultanément.

Chaos optique: Il s'agit des instabilités laser observées dans plusieurs systèmes optiques non linéaires.

Processus liés à l'optique non linéaire:

Les processus dans lesquels le milieu observe une interaction linéaire de la lumière, mais sont affectés par diverses autres causes:

Effet Pockels: En cela, l'indice de réfraction du milieu est influencé par un champ électrique statique. Cela se trouve dans les modulateurs électro-optiques.

  • Diffusion Raman: En cela, les photons interagissent avec les phonons optiques.

Acousto-optique: En cela, l'indice de réfraction du milieu est influencé par les ondes acoustiques (ultrasons). Ceci est utilisé dans les modulateurs acousto-optiques.

Optique non linéaire moléculaire 

Les premières observations sur les optiques et les milieux non linéaires se sont principalement concentrées sur les solides inorganiques. Avec le temps, alors que de plus en plus d'études liées à l'optique non linéaire sont apparues, le domaine de l'optique non linéaire moléculaire a été étudié. 

Les premières approches utilisées pour améliorer les propriétés non linéaires ou les non-linéarités comprennent les processus de

  • Expansion des systèmes π chromophores.
  • Expansion de la conjugaison en 2D. 
  • Modification de l'alternance de la longueur des liaisons.
  • Ingénierie des distributions de charges multipolaires.
  • Induire un transfert de charge intramoléculaire.

Ces dernières années, plusieurs nouvelles directions ont été conçues pour la manipulation de la lumière et l'amélioration de la non-linéarité. Certaines de ces propositions incluaient la mise en cascade de la non-linéarité du second ordre au microscope, combinant une riche densité d'états avec une alternance de liaisons, la torsion des chromophores, etc. bioimagerie, photothérapie, etc.

L'optique moléculaire non linéaire est basée sur la théorie du modèle de somme sur états (SOS). L'interaction d'une seule molécule isolée avec un rayonnement est étudiée par la théorie des perturbations du premier ordre. Les expressions résultantes pour les hyperpolarizabilités moléculaires non linéaires et la polarisabilité linéaire dépendent des propriétés des moments de transition des dipôles électriques et des états moléculaires des transitions induites par la lumière entre eux. 

Formation de motif optique non linéaire

Lorsque les champs optiques sont transmis à travers un support Kerr non linéaire, ils peuvent afficher une forme de formation de motif. Cela se produit en raison de l'amplification du bruit spatial et temporel par le milieu non linéaire. Cet effet est appelé instabilité de la modulation optique. L'instabilité de la modulation optique a été perçue dans les deux réseaux photoniques, la photo-réfraction et les systèmes photo-réactifs. La non-linéarité optique induite par la réaction augmente l'indice de réfraction pour les systèmes photo-réactifs.

Conjugaison de phase optique

Des procédés optiques non linéaires ont permis d'inverser le sens de propagation et de variation de phase d'un faisceau lumineux. Le faisceau inversé est appelé un faisceau conjugué (d'où le nom de conjugaison de phase optique) de l'original. Cette technique est également appelée inversion du front d'onde de l'inversion temporelle. L'instrument qui produit de tels faisceaux conjugués est connu sous le nom de miroir à conjugaison de phase (PCM).

Pour en savoir plus sur l'énergie lumineuse, visitez https://lambdageeks.com/light-energy-light-energy-examples-and-uses/ & https://lambdageeks.com/a-detailed-overview-on-lensometer-working-uses-parts/

Pour en savoir plus sur les télescopes, visitez https://lambdageeks.com/newtonian-telescope/ & https://lambdageeks.com/reflecting-telescope/

À propos de Sanchari Chakraborty

Je suis un apprenant passionné, actuellement investi dans le domaine de l'optique appliquée et de la photonique. Je suis également membre actif de SPIE (Société internationale pour l'optique et la photonique) et OSI (Optical Society of India). Mes articles visent à mettre en lumière des sujets de recherche scientifique de qualité d'une manière simple mais informative. La science évolue depuis des temps immémoriaux. Alors, j'essaie de ma part de puiser dans l'évolution et de la présenter aux lecteurs.

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