Proces parametryczny (optyka)

Proces parametryczny to proces optyczny , w którym światło oddziałuje z materią w taki sposób, że stan kwantowy materiału pozostaje niezmieniony. Bezpośrednią konsekwencją tego nie może być całkowity transfer energii , pędu lub momentu pędu między polem optycznym a układem fizycznym . Natomiast proces nieparametryczny to proces, w którym zmienia się dowolna część stanu kwantowego układu.

Charakterystyka czasowa

Ponieważ proces parametryczny zabrania netto zmiany stanu energetycznego systemu, procesy parametryczne są „natychmiastowe”. Na przykład, jeśli atom pochłonie foton o energii E, energia atomu wzrośnie o ΔE = E, ale jako proces parametryczny stan kwantowy nie może się zmienić, a zatem stan podwyższonej energii musi być tymczasowym stanem wirtualnym . Z zasady nieoznaczoności Heisenberga wiemy, że ΔEΔt~ħ/2, a zatem czas życia procesu parametrycznego wynosi w przybliżeniu Δt~ħ/2ΔE, co jest zauważalnie małe dla dowolnej niezerowej ΔE.

Procesy parametryczne i nieparametryczne

Optyka liniowa

W liniowym układzie optycznym polaryzacja dielektryczna P reaguje liniowo na obecność pola elektrycznego E , a zatem możemy napisać

${\ Displaystyle {\ mathbf {P}} = \ varepsilon _ {0} \ chi {\ mathbf {E}} = (n_ {r} + in_{i})^{2}{\mathbf {E}},}$

₀ gdzie ε to stała elektryczna , χ to ( zespolona ) podatność elektryczna , a n _r (n _i ) to rzeczywista (urojona) składowa współczynnika załamania światła ośrodka. Efekty procesu parametrycznego będą miały wpływ tylko na n _r , podczas gdy niezerowa wartość n _i może być spowodowana tylko przez proces nieparametryczny.

Zatem w optyce liniowej proces parametryczny będzie działał jak bezstratny dielektryk z następującymi efektami:

• Refrakcja
• Dyfrakcja
• Elastyczne rozpraszanie
  • Rozpraszanie Rayleigha
  • Rozpraszanie Mie

Alternatywnie, procesy nieparametryczne często wiążą się ze stratą (lub zyskiem) i powodują:

• Wchłanianie
• Rozpraszanie nieelastyczne
  • Rozpraszanie Ramana
  • Rozpraszanie Brillouina
• Różne procesy emisji optycznej
  • Fotoluminescencja
  • Fluorescencja
  • Luminescencja
  • Fosforescencja

Optyka nieliniowa

Główny artykuł: Optyka nieliniowa

W ośrodku nieliniowym polaryzacja dielektryczna P reaguje nieliniowo na pole elektryczne E światła. Ponieważ proces parametryczny jest na ogół spójny, wiele parametrycznych procesów nieliniowych będzie zależeć od dopasowania fazowego i zwykle będzie zależne od polaryzacji .

Przykładowe parametryczne procesy nieliniowe:

• Generowanie drugiej harmonicznej (SHG) lub podwojenie częstotliwości , generowanie światła o podwójnej częstotliwości (połowa długości fali)
• Generowanie trzeciej harmonicznej (THG), generowanie światła o potrójnej częstotliwości (jedna trzecia długości fali) (zwykle odbywa się w dwóch krokach: SHG, a następnie SFG fal pierwotnych i podwojonych częstotliwości)
• Generowanie wysokich harmonicznych (HHG), generowanie światła o częstotliwościach znacznie większych niż oryginalne (zwykle od 100 do 1000 razy większych)
• Generowanie sumy częstotliwości (SFG), generowanie światła o częstotliwości będącej sumą dwóch innych częstotliwości (szczególnym przypadkiem jest SHG)
• Generowanie różnicowej częstotliwości (DFG), generowanie światła o częstotliwości, która jest różnicą między dwiema innymi częstotliwościami
• Optyczne wzmocnienie parametryczne (OPA), wzmocnienie sygnału wejściowego w obecności fali pompującej o wyższej częstotliwości, z jednoczesnym generowaniem fali jałowej (można uznać za DFG)
• Optyczna oscylacja parametryczna (OPO), generowanie sygnału i fali jałowej za pomocą wzmacniacza parametrycznego w rezonatorze (bez wejścia sygnału)
• Optyczna generacja parametryczna (OPG), podobnie jak oscylacja parametryczna, ale bez rezonatora, zamiast tego wykorzystuje bardzo duże wzmocnienie
• Spontaniczna parametryczna konwersja w dół (SPDC), wzmocnienie fluktuacji próżni w reżimie niskiego wzmocnienia
• Optyczny efekt Kerra , współczynnik załamania światła zależny od intensywności
• Skupienie się na sobie
• Blokowanie modelu soczewki Kerra (KLM)
• Efekt modulacji własnej fazy (SPM) za ${\ Displaystyle \ chi ^ {(3)}}$
• Solitony optyczne
• Modulacja międzyfazowa (XPM)
• Mieszanie czterofalowe (FWM) może również wynikać z innych nieliniowości
• Generowanie fal spolaryzowanych krzyżowo (XPW), efekt, w którym generowana jest fala z wektorem polaryzacji prostopadłym do wejścia ${\ Displaystyle \ chi ^ {(3)}}$

Przykładowe nieparametryczne procesy nieliniowe:

• Stymulowane rozpraszanie Ramana
• Wzmocnienie Ramana
• Absorpcja dwufotonowa , równoczesna absorpcja dwóch fotonów, przekazanie energii pojedynczemu elektronowi
• Absorpcja wielofotonowa
• Wielokrotna fotojonizacja , prawie jednoczesne usuwanie wielu związanych elektronów przez jeden foton

Zobacz też

• Optyka nieliniowa

Notatki

•   Boyd, Robert (2008). Optyka nieliniowa (wyd. 3). Prasa akademicka. s. 13–15. ISBN 978-0-12-369470-6 .
• Paschotta, Rüdiger, „Nieliniowości parametryczne” , Encyklopedia fizyki i technologii laserowej