Optyka nieliniowa - dział optyki obejmujący zjawiska nie spełniające zasady superpozycji fal. Są to zjawiska, w których optyczne własności ośrodka zależą od natężenia padającego światła.

Spektakularnym zjawiskiem optyki nieliniowej jest powielanie częstości fali elektromagnetycznej, z których najbardziej istotna jest generacja drugiej harmonicznej. Innymi przykładami zjawisk nieliniowych są: zjawisko Faradaya, efekt Kerra, samoogniskowanie się światła, nasycenie absorpcji, ramanowskie rozpraszanie światła itp.

• Aby móc obserwować własności nieliniowe należy stosować światło o wysokim natężeniu tak jak np. generowane za pomocą laserów rubinowych.

Zjawiska optyki nieliniowej wykorzystywane są w nowoczesnych technologiach.

Cząsteczki dielektryka niepolarnego przy braku pola elektrycznego nie są dipolami. Jednak pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego następuje przesuniecie ładunków dodatnich i ujemnych a w konsekwencji wytworzenie indukowanego momentu dipolowego. Takie mechanizmy polaryzacji dielektryka noszą nazwę polaryzacji indukowanej.

Pole elektryczne – stan przestrzeni otaczającej ładunki elektryczne lub zmienne pole magnetyczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna.

Podatność magnetyczna – współczynnik proporcjonalności w równaniu określającym wielkość namagnesowania jako funkcję natężenia pola magnetycznego:

gdzie:

M – namagnesowanie (moment magnetyczny jednostki objętości substancji),

χ – objętościowa podatność magnetyczna,

H – natężenie pola magnetycznego.

Kryształy centrowane są nieprzydatne w generowaniu drugiej harmonicznej

Generowanie drugiej harmonicznej jest dobrym eksperymentem na obecność środka inwersji- silny sygnał jest dowodem na brak środka symetrii!

• Kryształy LiO₃ oraz HIO ₃ zawierają oktaedry IO₆ są one obiecującymi kryształami nieliniowymi.

• Najlepsze związki do generowania drugiej harmonicznej posiadają duże współczynniki załamania światła.

• Współczynnik załamania ośrodka jest miarą zmiany prędkości rozchodzenia się fali w danym ośrodku w stosunku do prędkości w innym ośrodku (pewnym ośrodku odniesienia). Dokładniej jest on równy stosunkowi prędkości fazowej fali w ośrodku odniesienia do prędkości fazowej fali w danym ośrodku

• 

• gdzie

• – prędkość fali w ośrodku, w którym fala rozchodzi się na początku,

• – prędkość fali w ośrodku, w którym rozchodzi się po załamaniu.

Podatność elektryczna, podatność dielektryczna – wielkość fizyczna określająca zdolność polaryzacji dielektryka pod wpływem pola elektrycznego

Generacja drugiej harmonicznej (ang. SHG - Second Harmonic Generation) – efekt w optyce nieliniowej, polegający na otrzymaniu z fali o częstości fali o częstości .

Zjawisko generowania drugiej harmonicznej zostało po raz pierwszy zademonstrowane w 1961 roku na Uniwesytecie Michigan w Ann Arbor przez P. A. Frankena, A. E. Hilla, C. W. Petersa i G. Weinreicha. Zastosowali oni laser rubinowy, generujący światło o dużej intensywności oraz monochromatyczności. Promieniowanie z lasera zostało skierowane na kryształ kwarcu, w wyniku czego obok promieniowania o długości 694 nm, które przechodziło przez kryształ, pojawiło się również promieniowanie o długości fali 347 nm.

Przy zastosowaniu zwykłych źródeł światłą wpływ podatności 2 i 3 rzędu jest znikomy, ponieważ każda kolejna podatność jest o kilka rzędów wielkości mniejsza od poprzedniej. Aby zobaczyć efekty nieliniowe musimy użyć spójnego światła o dużym natężeniu. Można je uzyskać dzięki laserom.

Jednak w zwykłym ośrodku współczynnik załamania jest różny dla różnych długości fali ze względu na jego dyspersję. Z pomocą przychodzą nam tutaj kryształy dwójłomne. Kryształy dwójłomne dzielimy na jednoosiowe i dwuosiowe. W krysztale jednoosiowym światło rozdziela się na 2 promienie – zwyczajny (radius ordinarius) oraz nadzwyczajny (radius extraordinarius), jego elipsoida współczynników załamania posiada tylko jeden przekrój w postaci koła i prostopadłą do niego oś optyczną. Natomiast w krysztale dwuosiowym mamy 2 promienie nadzwyczajne, natomiast brak jest promienia zwyczajnego. Elipsoida współczynników załamania dla takiego kryształu ma 2 przekroje w postaci koła. Każdemu przekrojowi kołowemu odpowiada jedna, prostopadła do niego oś optyczna.

Promień zwyczajny oraz nadzwyczajny posiadają prostopadłe względem siebie polaryzacje światła. Współczynnik załamania dla promienia zwyczajnego nie ulega zmianie podczas obrotu wektora falowego, natomiast dla promienia zwyczajnego tak. Oznacza to, że może istnieć taki kąt, dla którego nastąpi zrównanie się współczynników załamania dla fali podstawowej i drugiej harmonicznej, jeśli wziąć pod uwagę odpowiednie promienie. Dodatkowo rozróżniamy kryształy jednoosiowe dodatnie oraz ujemne, w których współczynnik załamania dla promienia nadzwyczajnego jest odpowiednio nie mniejszy i nie większy od współczynnika załamania promienia zwyczajnego.

Dla kryształów dwuosiowych wszystkie fale wychodzące biegną w promieniach nadzwyczajnych. Dla kryształów jednoosiowych natomiast mamy podział na 2 rodzaje dopasowania fazowego. Dopasowanie fazowe I rodzaju polega na uzyskaniu drugiej harmonicznej z 2 fotonów o równoległej polaryzacji. Dopasowanie fazowe II rodzaju polega na uzyskaniu drugiej harmonicznej z 2 fotonów o prostopadłej polaryzacji.

Cóż to jest niewspółliniowy wzmacniacza parametryczny? Jest to kryształ, który służy jako tranzystor dla światła. Gdy wpuszczamy do niego dwie wiązki laserowe - silną pompującą i słabą sygnałową, z kryształu wychodzi wzmocniony sygnał (kosztem natężenia pompy).

Zjawisko ma dość interesujące własności kwantowe. W szczególności jest wykorzystywane do produkcji splatanych par fotonów.

Rys. . 29.4 () przedstawia podstawową konfigurację wzmacniacza parametrycznego . wejście
częstotliwości sygnału na ω1 pada na kryształ nieliniowy optycznego wraz z
intensywny promień lasera na częstotliwości ω3.Wave mieszania zachodzi wewnątrz kryształu z
Wiązka laserowa przesyłania energii sygnału wejściowego oraz drugą falą
spełniającą zależność ω2 = ω3 - ω1 . Amplifikacja ω1 sygnału wejściowego
towarzyszy wytwarzanie fali pasowego na ω2 częstotliwości. parametryczne
Zyski są często stosunkowo niewielka , więc proces ten nie jest powszechnie stosowany .

Oscylatory parametryczne ( rys. 29.4 ( b)) mają podobną konfigurację do generowania
nowe częstotliwości . Fala na ω3 częstotliwości pompa dostarcza energię do optycznego
fale o częstotliwości ω1 i ω2 , dla których ω3 = ω1 + ω2 . W tym eksperymencie
nieliniowe kryształów umieszczony wewnątrz rezonatora optycznego , który jest rezonansowa
przy częstotliwości sygnału ( ω1 ) lub częstotliwości pasowego ( ω2 ), lub oba. ważne
Zaletą parametrycznego oscylatora jestwnęki rezonansowej mogą być konfigurowane
w sposób ciągły w szerokim zakresie częstotliwości.

Konwersja sygnału częstotliwości (Fig. 29,4 ( c ) ) zwiększa częstotliwość sygnału ( ω1 ) i
silna wiązka laserowa ( ω2 ) , aby uzyskać wyższy sygnał częstotliwości ω3 = ω1 + ω2 .
Konwersja sygnału oferuje możliwość wykrywania sygnałów podczerwieni w zakresach długości fali
gdzie detektory są powolne lub nieskuteczne . Działa na parametryczne downconversion
Zasada podobna do podwyższającą .

potassium dihydrogen phosphate, KDP- diwodorofosforan potasu

ammonium dihydrogen phosphate, ADP- diwodorofosforan amonu

Dwójłomność – zdolność ośrodków optycznych do podwójnego załamywania światła (rozdwojenia promienia świetlnego). Substancje, dla których zjawisko zachodzi nazywamy substancjami dwójłomnymi.

Miarą dwójłomności jest różnica między współczynnikiem załamania promienia nadzwyczajnego n_e, a współczynnikiem załamania promienia zwyczajnego n_o.

Promień nadzwyczajny – w kryształach dwójłomnych jest to jeden z dwu promieni powstałych z rozdzielenia promienia światła padającego na taki kryształ. Charakteryzuje się anizotropią prędkości rozchodzenia się w krysztale (prędkość ta zależy od kierunku). Nie spełnia on prawa Snelliusa (np. może zmieniać kierunek nawet wówczas gdy światło pada prostopadle do powierzchni kryształu). Nie musi on leżeć w jednej płaszczyźnie z promieniem padającym (zob. płaszczyzna padania światła). Polaryzacja tego promienia jest równoległa do płaszczyzny głównej (płaszczyzny przechodzącej przez dany promień światła i przecinającą go oś optyczną). Promień taki oznacza się symbolem e (ang. extraordinary), ponieważ ma inne właściwości w porównaniu z promieniem zwyczajnym, który spełnia prawo Snelliusa.

Promień zwyczajny, w kryształach dwójłomnych jest to promień powstały z rozdzielenia promienia światła padającego na taki kryształ. Charakteryzuję się izotropową (równą w różnych kierunkach) prędkością rozchodzenia się w krysztale. Spełnia on prawo Snelliusa przy przechodzeniu przez powierzchnię kryształu, leży w płaszczyźnie padania światła. Polaryzacja tego promienia jest prostopadła do płaszczyzny głównej (płaszczyzny przechodzącej przez dany promień światła i przecinającą go oś optyczną). Oznacza się go przez (ang. ordinary).

Układ krystalograficzny determinuje optyczne własności substancji. Kryształy trygonalne, tetragonalne i heksagonalne są optycznie jednoosiowe. Kryształy trójskośne, jednoskośne i rombowe są optycznie dwuosiowe. Dla układu regularnego kryształ jest optycznie izotropowy, prędkość fal we wszystkich kierunkach w krysztale jest jednakowa.