НЕЛИНЕ́ЙНЫЕ ОПТИ́ЧЕСКИЕ МАТЕРИА́ЛЫ

НЕЛИНЕ́ЙНЫЕ ОПТИ́ЧЕСКИЕ МАТЕРИА́­ЛЫ, ма­те­ри­аль­ные сре­ды, в ко­то­рых по­ля­ри­за­ция сре­ды (или её ди­элек­трич. вос­при­им­чи­вость), на­во­ди­мая внеш­ним оп­тич. из­лу­че­ни­ем вы­со­кой ин­тен­сив­но­сти, яв­ля­ет­ся не­ли­ней­ной функ­ци­ей на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля па­даю­щей вол­ны. Не­ли­ней­ная по­ля­ри­за­ция сре­ды и не­ли­ней­ные вос­при­им­чи­во­сти при­во­дят к воз­ник­но­ве­нию не­ли­ней­ных оп­тич. эф­фек­тов, ха­рак­тер­ным про­яв­ле­ни­ем ко­то­рых яв­ля­ет­ся обо­га­ще­ние спек­траль­но­го (час­тот­но­го и уг­ло­во­го) со­ста­ва из­лу­че­ния, про­шед­ше­го че­рез та­кую сре­ду.

При­чи­на­ми не­ли­ней­но­сти сре­ды мо­гут быть разл. фи­зич. ме­ха­низ­мы взаи­мо­дей­ст­вия мощ­но­го (ла­зер­но­го) из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом. Это мо­жет быть де­фор­ма­ция внеш­них элек­трон­ных обо­ло­чек ато­мов под дей­ст­ви­ем внеш­не­го по­ля, ан­гар­мо­низм элек­трон­но­го или элек­трон­но-ко­ле­ба­тель­но­го пе­ре­хо­да для ато­мов и мо­ле­кул, не­па­ра­бо­лич­ность энер­ге­тич. зон для по­лу­про­вод­ни­ков, из­ме­не­ние плот­но­сти сре­ды за счёт элек­тро­стрик­ции или на­гре­ва и др. При взаи­мо­дей­ст­вии ла­зер­но­го из­лу­че­ния с Н. о. м. наи­бо­лее час­то воз­ни­ка­ют та­кие яв­ле­ния, как ге­не­ра­ция выс­ших оп­тич. гар­мо­ник, па­ра­мет­рич. уси­ле­ние и ге­не­ра­ция све­та, оп­тич. «вы­прям­ле­ние» све­та, вы­ну­ж­ден­ное рас­сея­ние све­та, са­мо­мо­ду­ля­ция им­пуль­сов и са­мо­воз­дей­ст­вие све­то­вых пуч­ков, мно­го­фо­тон­ное по­гло­ще­ние све­та, воз­ни­каю­щее в ис­ход­но про­зрач­ной сре­де. Прак­ти­че­ски все эти яв­ле­ния ис­поль­зу­ют­ся в при­клад­ных и на­уч. це­лях.

Эф­фек­ты па­ра­мет­рич. взаи­мо­дей­ст­вия, опи­сы­вае­мые квад­ра­тич­ной по по­лю не­ли­ней­ной вос­при­им­чи­во­стью Н. о. м., при­ме­ня­ют­ся для ге­не­ра­ции гар­мо­ник ла­зер­но­го из­лу­че­ния и для соз­да­ния ис­точ­ни­ков ко­ге­рент­но­го из­лу­че­ния с пе­ре­страи­вае­мой дли­ной вол­ны. Напр., в сверх­мощ­ных ла­зер­ных ус­та­нов­ках, пред­на­зна­чен­ных для уп­рав­ляе­мого тер­мо­ядер­ного син­теза (УТС), ис­поль­зу­ют­ся не­ли­ней­но-оп­тич. кри­стал­лы для пре­об­ра­зо­ва­ния ис­ход­ной вол­ны во 2-ю или 3-ю гар­мо­ни­ки, час­то­ты ко­то­рых ле­жат в ви­ди­мом диа­па­зо­не или УФ-диа­па­зо­не, по­сколь­ку в этом диа­па­зо­не су­ще­ст­вен­но про­ще осу­ще­ст­вить на­грев дей­те­рий-три­тие­вой ми­ше­ни для за­пус­ка ре­ак­ции. Не­ли­ней­ная вос­при­им­чи­вость 3-го по­ряд­ка от­вет­ст­вен­на за про­цес­сы вы­ну­ж­ден­но­го рас­сея­ния све­та, са­мо­воз­дей­ст­вия и мно­го­фо­тон­но­го по­гло­ще­ния.

В пер­вом ла­зер­ном экс­пе­ри­мен­те, про­де­мон­ст­ри­ро­вав­шем не­ли­ней­ный от­клик ма­те­ри­аль­ной сре­ды, в ка­че­ст­ве Н. о. м. ис­поль­зо­вал­ся кри­стал­лич. кварц. В экс­пе­ри­мен­те на­блю­да­лась ге­не­ра­ция 2-й гар­мо­ни­ки ру­би­но­во­го ла­зе­ра, обу­слов­лен­ная квад­ра­тич­ной не­ли­ней­ной вос­при­им­чи­во­стью сре­ды. Эф­фек­тив­ность пре­об­ра­зо­ва­ния в этом экс­пе­ри­мен­те бы­ла очень низ­кой (ок. 10^–12), т. к. крис­тал­лич. кварц, хо­тя и об­ла­да­ет квад­ра­тич­ной не­ли­ней­но­стью, не име­ет фа­зо­во­го (вол­но­во­го) син­хро­низ­ма для это­го про­цес­са. Впо­след­ст­вии бы­ли об­на­ру­же­ны др. кри­стал­лич. ма­те­риа­лы, об­ла­даю­щие фа­зо­вым син­хро­низ­мом, т. е. оп­ре­де­лён­ным на­прав­ле­ни­ем, в ко­то­ром эф­фект ге­не­ра­ции гар­мо­ни­ки на­ка­п­ли­вал­ся по дли­не Н. о. м. Наи­бо­лее из­вест­ным и ши­ро­ко рас­про­стра­нён­ным Н. о. м. яв­ля­ет­ся кри­сталл $\ce{KDP}$ ($\ce{KH2PO4}$). Это дву­лу­че­пре­лом­ляю­щий от­ри­ца­тель­ный кри­сталл, про­зрач­ный в диа­па­зо­не длин волн 0,2–1,2 мкм. Ве­ли­чи­на его не­ли­ней­но­сти поч­ти та­кая же, как у кри­стал­лич. квар­ца, но вслед­ст­вие на­ли­чия фа­зо­во­го син­хро­низ­ма эф­фек­тив­ность пре­об­ра­зо­ва­ния близ­ка к еди­ни­це. Этот крис­талл вы­ра­щи­ва­ет­ся из вод­но­го рас­тво­ра при темп-ре, близ­кой к ком­нат­ной, и из не­го мо­гут быть из­го­тов­ле­ны уни­каль­ные пре­об­ра­зо­ва­те­ли час­то­ты с апер­ту­рой до 500×500 мм при тол­щи­не 1–1,5 см. Имен­но та­кие эле­мен­ты пре­об­ра­зо­ва­ния при­ме­ня­ют­ся в сверх­мощ­ных ла­зер­ных ком­плек­сах для УТС.

Од­ни­ми из но­вых Н. о. м. яв­ля­ют­ся кри­стал­лы груп­пы бо­ра­тов, напр. три­бо­рат ли­тия ($\ce{LiB3O5}$). Этот кри­сталл про­зра­чен в ви­ди­мом диа­пазоне и ближ­нем ИК-диа­па­зо­не, об­ла­да­ет вдвое боль­шей ве­ли­чи­ной не­ли­ней­но­сти, чем $\ce{KDP}$, и во столь­ко же раз боль­шей стой­ко­стью к ла­зер­но­му из­лу­че­нию (лу­че­вой проч­но­стью). Кри­сталл три­бо­ра­та ли­тия вы­ра­щи­ва­ет­ся из рас­пла­ва при темп-ре ок. 1000 °C, и его макс. раз­мер со­став­ля­ет ок. 100 мм в по­пе­реч­ни­ке. Он ис­поль­зу­ет­ся для гене­ра­ции оп­тич. гар­мо­ник и в оп­тич. па­ра­мет­рич. пре­об­ра­зо­ва­те­лях час­то­ты. Ши­ро­кое при­ме­не­ние на­хо­дят та­кие Н. о. м., как кри­стал­лы $\ce{KTP}$ ($\ce{KTiOPO4}$) и нио­ба­та ли­тия ($\ce{LiNbO3}$).

Н. о. м., об­ла­даю­щи­ми не­ли­ней­но­стью 3-го по­ряд­ка, яв­ля­ют­ся прак­ти­че­ски все про­зрач­ные оп­тич. ма­те­риа­лы. В не­ли­ней­ной оп­ти­ке эту не­ли­ней­ность при­ня­то ха­рак­те­ри­зо­вать не­ли­ней­ной до­бав­кой $n_2$ к по­ка­за­те­лю пре­лом­ле­ния $n$ сре­ды. При этом по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния $n=n_0+n_2I$, где $n_0$ – ли­ней­ный по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния сре­ды, $I$ – ин­тен­сив­ность све­то­вой вол­ны. Ве­ли­чи­на $n_0$ для всех ма­те­риа­лов, про­зрач­ных в оп­тич. и ближ­нем ИК-диа­па­зо­нах, ме­ня­ет­ся от ок. 1 (га­зы при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии) до ок. 5 (тел­лур), а не­ли­ней­ная до­бав­ка $n_2$ ме­ня­ет­ся на 12 по­ряд­ков. В ка­че­ст­ве Н. о. м. мо­гут быть так­же ис­поль­зо­ва­ны ме­та­ма­те­риа­лы.

Для ис­сле­до­ва­ния про­цес­сов вы­ну­ж­ден­но­го ком­би­на­ци­он­но­го рас­сея­ния света при­ме­ня­ют та­кие Н. о. м., как нит­ро­бен­зол, во­до­род, кри­стал­лы нит­ра­тов и мо­либ­да­тов. Ис­поль­зо­ва­ние Н. о. м. по­зво­ля­ет рас­ши­рить чис­ло ис­точ­ни­ков ко­ге­рент­но­го оп­тич. из­лу­че­ния, соз­дать ис­точни­ки све­та с пе­ре­страи­вае­мой час­то­той, а так­же пре­об­ра­зо­вать ко­ге­рент­ный свет в свет с су­гу­бо кван­то­вы­ми (не­клас­си­че­ски­ми) свой­ст­ва­ми.