Параметрический процесс (оптика)

Параметрический процесс — это оптический процесс, при котором свет взаимодействует с веществом таким образом, что квантовое состояние материала остается неизменным. Как прямое следствие этого не может быть чистой передачи энергии , импульса или углового момента между оптическим полем и физической системой . Напротив, непараметрический процесс — это процесс, в котором изменяется любая часть квантового состояния системы.

Временные характеристики

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 как параметрический процесс квантовое состояние не может измениться, и, следовательно, состояние с повышенной энергией должно быть временным виртуальным состоянием . Согласно принципу неопределенности Гейзенберга мы знаем, что ΔEΔt~ħ/2, поэтому время жизни параметрического процесса составляет примерно Δt~ħ/2ΔE, что заметно мало для любого ненулевого ΔE.

Параметрические и непараметрические процессы

Линейная оптика

В линейной оптической системе диэлектрическая P поляризация линейно реагирует на присутствие электрического поля , E и поэтому мы можем записать

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

где ε ₀ — электрическая постоянная , χ — ( комплексная ) электрическая восприимчивость , а n _r ( _ni ) — 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

С другой стороны, непараметрические процессы часто связаны с потерями (или выигрышами) и приводят к:

• Поглощение
• Неупругое рассеяние
  • Комбинационное рассеяние
  • Бриллюэновское рассеяние
• Различные процессы оптической эмиссии
  • Фотолюминесценция
  • флуоресценция
  • Люминесценция
  • фосфоресценция

Нелинейная оптика

Основная статья: 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 (ГТГ), генерация света с утроенной частотой (одна треть длины волны) (обычно выполняется в два этапа: ГВГ, за которой следует SFG исходных волн и волн с удвоенной частотой)
• Генерация высоких гармоник (HHG), генерация света с частотами, намного превышающими исходные (обычно в 100–1000 раз выше)
• 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 представляет собой разницу между двумя другими частотами.
• Оптическое параметрическое усиление (OPA), усиление входного сигнала при наличии более высокочастотной волны накачки с одновременной генерацией холостой волны (можно рассматривать как DFG)
• Оптическая параметрическая генерация (ОПО), генерация сигнала и холостой волны с помощью параметрического усилителя в резонаторе (без входного сигнала)
• Оптическая параметрическая генерация (OPG), как параметрическая генерация, но без резонатора, вместо этого используется очень высокий коэффициент усиления.
• Спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (SPDC), усиление вакуумных флуктуаций в режиме низкого усиления.
• Оптический эффект Керра , показатель преломления, зависящий от интенсивности
• Самофокусировка
• Модель с линзой Керра (KLM)
• Самофазовая модуляция (СФМ), а $\chi ^{(3)}$ эффект
• Оптические солитоны
• Перекрестно-фазовая модуляция (XPM)
• Четырехволновое смешение (FWM) может возникнуть и из-за других нелинейностей.
• Генерация кроссполяризованных волн (XPW), а $\chi ^{(3)}$ эффект, при котором генерируется волна с вектором поляризации, перпендикулярным входному сигналу

Примеры непараметрических нелинейных процессов:

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

См. также

• Нелинейная оптика

Ссылки

• Бойд, Роберт (2008). «1.2.10 Параметрические и непараметрические процессы» . Нелинейная оптика (3-е изд.). Академическая пресса. стр. 13–15. ISBN  978-0-12-369470-6 .
• Пашотта, Рюдигер, «Параметрические нелинейности» , Энциклопедия лазерной физики и технологий.