Параметрический процесс (оптика)

Параметрический процесс представляет собой оптический процесс, в котором свет взаимодействует с веществом таким образом, чтобы выйти из квантового состояния материала без изменений. Как прямое следствие этого не может быть чистой передачи энергии, импульса или момента количества движения между оптическим полем и физической системой. Напротив, непараметрический процесс - это процесс, в котором изменяется любая часть квантового состояния системы.

• 1 Временные характеристики
• 2 Сравнение параметрических и непараметрических процессов
  • 2.1 Линейная оптика
  • 2.2 Нелинейная оптика
• 3 См. Также
• 4 Примечания
• 5 ссылки

Поскольку параметрический процесс запрещает чистое изменение энергетического состояния системы, параметрические процессы являются «мгновенными». Например, если атом поглощает фотон с энергией E, энергия атома увеличивается на ΔE = E, но в качестве параметрического процесса квантовое состояние не может измениться, и, следовательно, состояние повышенной энергии должно быть временным виртуальным состоянием. По принципу неопределенности Гейзенберга мы знаем, что ΔEΔt ~ / 2, таким образом, время жизни параметрического процесса примерно равно Δt ~ ħ / 2ΔE, что существенно мало для любого ненулевого ΔE.

Линейная оптика

В линейной оптической системе диэлектрическая поляризация, Р, реагирует линейно в присутствии электрического поля, Е, и, таким образом, мы можем написать

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

где ε 0 - электрическая постоянная, χ - ( комплексная ) электрическая восприимчивость, а n r (n i ) - действительная (мнимая) составляющая показателя преломления среды. Эффекты параметрического процесса будут влиять только на n r, тогда как ненулевое значение n i может быть вызвано только непараметрическим процессом.

Таким образом, в линейной оптике параметрический процесс будет действовать как диэлектрик без потерь со следующими эффектами:

• Преломление
• Дифракция
• Упругое рассеяние
  • Рэлеевское рассеяние
  • Рассеяние Ми

В качестве альтернативы, непараметрические процессы часто связаны с потерями (или прибылью) и приводят к:

• Абсорбция
• Неупругое рассеяние
  • Рамановское рассеяние
  • Рассеяние Бриллюэна
• Различные процессы оптического излучения
  • Фотолюминесценция
  • Флуоресценция
  • Свечение
  • Фосфоресценция

Нелинейная оптика

В нелинейных средах диэлектрическая поляризация P нелинейно реагирует на электрическое поле E света. Поскольку параметрический процесс в целом является когерентным, многие параметрические нелинейные процессы будут зависеть от фазового синхронизма и обычно будут зависеть от поляризации.

Примеры параметрических нелинейных процессов:

• Генерация второй гармоники (ГВГ) или удвоение частоты, генерация света с удвоенной частотой (половина длины волны)
• Генерация третьей гармоники (THG), генерация света с утроенной частотой (одна треть длины волны) (обычно выполняется в два этапа: SHG, за которым следует SFG исходных волн и волн с удвоением частоты)
• Генерация высоких гармоник (HHG), генерация света с частотами, намного превышающими исходные (обычно в 100-1000 раз больше)
• Генерация суммарной частоты (SFG), генерация света с частотой, которая является суммой двух других частот (SHG является частным случаем этого)
• Генерация разностной частоты (DFG), генерация света с частотой, которая является разницей между двумя другими частотами
• Оптическое параметрическое усиление (OPA), усиление входного сигнала при наличии высокочастотной волны накачки, одновременно генерируя холостой волну (можно рассматривать как DFG)
• Оптические параметрические колебания (OPO), генерация сигнала и холостой волны с помощью параметрического усилителя в резонаторе (без входного сигнала)
• Оптическая параметрическая генерация (OPG), как параметрическая генерация, но без резонатора, с использованием вместо этого очень высокого усиления
• Спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (SPDC), усиление вакуумных флуктуаций в режиме низкого усиления
• Оптический эффект Керра, показатель преломления, зависящий от интенсивности
• Самофокусировка
• Керровская линза с синхронизацией мод (KLM)
• Фазовая самомодуляция (SPM), эффект ${\ Displaystyle \ чи ^ {(3)}}$
• Оптические солитоны
• Кросс-фазовая модуляция (XPM)
• Четырехволновое смешение (FWM) также может возникать из-за других нелинейностей.
• Генерация кросс-поляризованных волн (XPW) - эффект, при котором генерируется волна с вектором поляризации, перпендикулярным входу. ${\ Displaystyle \ чи ^ {(3)}}$

Примеры непараметрических нелинейных процессов:

• Вынужденное комбинационное рассеяние света
• Рамановское усиление
• Двухфотонное поглощение, одновременное поглощение двух фотонов, передача энергии одному электрону
• Многофотонное поглощение
• Многократная фотоионизация, почти одновременное удаление многих связанных электронов одним фотоном

• Нелинейная оптика

• Бойд, Роберт (2008). Нелинейная оптика (3-е изд.). Академическая пресса. С. 13–15. ISBN   978-0-12-369470-6. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
• Пашотта, Рюдигер, "Параметрические нелинейности", Энциклопедия лазерной физики и техники