אופטיקה לא לינארית

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
Incomplete-document-purple.svg יש להשלים ערך זה: בערך זה חסר תוכן מהותי. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.
הנכם מוזמנים להשלים את החלקים החסרים ולהסיר הודעה זו. שקלו ליצור כותרות לפרקים הדורשים השלמה, ולהעביר את התבנית אליהם.
Gnome-edit-clear.svg ערך זה זקוק לעריכה: ייתכן שהערך סובל מפגמים טכניים כגון מיעוט קישורים פנימיים, סגנון טעון שיפור או צורך בהגהה, או שיש לעצב אותו.
אתם מוזמנים לסייע ולתקן את הבעיות, אך אנא אל תורידו את ההודעה כל עוד לא תוקן הדף. אם אתם סבורים כי אין בדף בעיה, ניתן לציין זאת בדף השיחה.

אופטיקה לא לינארית (באנגלית: NLO - NonLinear Optics) היא תחום מדעי וטכנולוגי בפיזיקה והנדסת חשמל ובפרט באופטיקה (ממנו צמח כענף), אלקטרואופטיקה ופוטוניקה החוקר את התופעה של שינוי התכונות האופטיות של החומר כתוצאה מנוכחות אור, בצורה אי לניארית, כלומר כזו שאינה ביחס ישר לעוצמת השדה האלקטרומגנטי. התנהגות האופטית של חומר כתווך בו וקטור הפולריזציה \ \vec{P}\ תלוי בשדה החשמלי \ \vec{E}\ של האור באופן לא לינארי. אי-לינאריות זו מופיעה לרוב בצפיפויות הספק גבוהות ביותר, אשר מושגות על ידי שימוש בלייזר. לאפקטים הלא לינאריים יש חשיבות רבה, בעיקר בגלל תרומתם לפיתוח מערכות אופטיות מתוחכמות מחד (למשל לצורך הכפלת תדר של לייזרים או בניית מתנדים אופטיים), ובגלל הפרעתם בתקשורת אופטית למרחקים ארוכים, מאידך.

מבוא[עריכת קוד מקור | עריכה]

כאשר שדה אלקטרומגנטי נע בתווך חומרי, בניגוד לריק, הוא עלול להשפיע על החומר על ידי יצירת שדה קיטוב

התלוי באופן כללי, בזמן ובמרחב. באופטיקה לינארית, בחומר הומוגני ואיזוטרופי שדה הקיטוב תלוי בשדה החשמלי כך:


{\mathbf P}=\varepsilon_0\chi{\mathbf E},
P(t) \propto \chi^{(1)} E(t) + \chi^{(2)} E^2(t) + \chi^{(3)} E^3(t) + \cdots.

תהליכי ריבוב תדר[עריכת קוד מקור | עריכה]

יצירת הרמוניה שנייה[עריכת קוד מקור | עריכה]

תיאור סכמטי
תהליך SHG

יצירת הרמוניה שנייה או הכפלת תדר (Second Harmonic Generation) היא תופעה בה פוטון העובר דרך תווך בעל תכונות לא לינאריות יוצר פוטון בעל תדירות כפולה.

\ \chi^{(1)} הנה הסוספטביליות מסדר ראשון (הלינארית) ו- \ \chi^{(2)}, \chi^{(3)} הנם הסוספטביליות מסדר שני ושלישי. עבור חומר מוצק, הסוספטביליות הלינארית הנה מסדר גודל של 1 והסוספטביליות מסדר שני הנה מסדר גודל של 10^{-12} m/volt ועבור סדר שלישי הנה מסדר גודל של  10^{-23} m^2/volt^2. מכאן ברור כי תופעות לא לינאריות יבאו לידי ביטוי רק בשדות חזקים. ניקח גל אלקטרומגנטי המורכב משתי תדירויות שונות:

הגל פוגע בגביש לא לינארי שמאופיין על ידי מקדם הסוספטביליות \ \chi^{(2)}.

כאשר פוטון באורך גל λ1 פוגע בחומר לא לינארי מסדר שני, אטומים רבים בחומר מושפעים מהשדה ויוצרים מומנט דיפול בעל תדירות. כל מומנט דיפול מבצע תנודות בפאזה התלויה בפאזה של השדה הפוגע. כדי לקבל המרת אנרגיה יעילה בין הגלים צריך ששני הגלים יהיו בתיאום פאזה. אם הפרש הפאזות בין הדיפולים לא יותאם כראוי תתקבל התאבכות הורסת בין הקרינות מן האטומים השונים ולא תצא קרינה מחוץ לחומר. לעומת זאת אם הפרש הפאזות בין הדיפולים יותאם כראוי תתקבל התאבכות בונה בין הקרינות היוצאות מהדיפולים השונים והקרינה המתקדמת תהיה סכום הקרינות מכל הדיפולים. (בהנחה שבמערכת מערובים N אטומים מגיבים, הקרינה תהיה גדולה פי N מהקרינה של האטום בודד והעוצמה תהיה פי 2N יותר גדולה מעצמת קרינה מאטום בודד). כדי לקבל התאמת פאזות (Phase matching) יש להתגבר על בעיית הנפיצה הנורמלית (normal dispersion) הקיימת כמעט בכל החומרים בטבע. בחומר בעל נפיצה נורמלית n2>n1, מהירות הפאזה של הגל היסודי גדולה ממהירות הפאזה של הגל בעל ההרמוניה השנייה (SHW- Second Harmonic Wave), ובכך נוצר הפרש פאזה בין הגל היסודי ובין ה-SHW - (שכתוצאה ממנו נוצרת התאבכות הורסת בין ה-SHW שנוצר מהקרנות דיפולים ממשטחים שונים בגביש). היות שההפרש בין מקדמי השבירה (באורך גל מסוים) הוא מסדר גודל של 10^{-2}, יתקבל אורך של הגביש שבו תתקבל העוצמה המרבית, בו יש הפרש פאזה של 2*pi בין הגל היסודי לבין ה SHW. לאחר אורך זה תתחיל התאבכות הורסת, והאנרגיה שב- SHW מתחילה לעבור בחזרה לגל היסודי. לכן מכונה אורך זה "אורך הקוהרנטיות". יעילות ההמרה תלויה בכמה גורמים הקשורים במקור הלייזר: צפיפות ההספק , התרחבות של הקרן, רוחב ספקטרלי ועוד. בנוסף היא תלויה בגורמים הקשורים בגביש ההמרה: המקדם הלא-לינארי, אורך הגביש, סטייה מזווית הכניסה המיטבית, ואיכות הגביש.

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • Robert W. Boyd, Nonlinear optics, Second edition, Academic press, (2003)