Parametrický proces (optika) - Parametric process (optics)

A parametrický proces je optický proces, při kterém světlo interaguje s hmotou takovým způsobem, že opouští světlo kvantový stav materiálu beze změny. Přímým důsledkem toho nemůže být žádný čistý převod energie, hybnost nebo moment hybnosti mezi optické pole a fyzický systém. Naproti tomu a neparametrický proces je proces, při kterém je jakákoli část kvantový stav změn systému.^[1]

Časové charakteristiky

Protože parametrický proces zakazuje čistou změnu energetického stavu systému, jsou parametrické procesy „okamžité“. Například pokud atom absorbuje a foton s energií E se energie atomu zvyšuje o ΔE = E, ale jako parametrický proces se kvantový stav nemůže změnit, a proto musí být stav zvýšené energie dočasný virtuální stav. Podle Heisenbergův princip nejistoty víme, že ΔEΔt ~ ħ / 2, tedy životnost parametrického procesu je zhruba Δt ~ ħ / 2ΔE, což je znatelně malé pro jakoukoli nenulovou ΔE.^[1]

Parametrické versus neparametrické procesy

Lineární optika

V lineárním optickém systému dielektrikum polarizace, P, reaguje lineárně na přítomnost elektrické pole, E, a tak můžeme psát

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

kde ε₀ je elektrická konstanta, χ je (komplex ) elektrická citlivost a n_r(č_i) je skutečná (imaginární) složka index lomu média. Účinky parametrického procesu ovlivní pouze n_r, zatímco nenulová hodnota n_i může být způsoben pouze neparametrickým procesem.

V lineární optice tedy bude parametrický proces fungovat jako bezztrátový dielektrikum s následujícími účinky:

• Lom světla
• Difrakce
• Elastický rozptyl
  • Rayleighův rozptyl
  • Mie rozptyl

Alternativně mohou neparametrické procesy často zahrnovat ztrátu (nebo zisk) a vést k:

• Vstřebávání
• Neelastický rozptyl
  • Ramanův rozptyl
  • Brillouinův rozptyl
• Různé procesy optické emise
  • Fotoluminiscence
  • Fluorescence
  • Světélkování
  • Fosforescence

Nelineární optika

V nelineární média, dielektrikum polarizace P reaguje nelineárně na elektrické pole E světla. Protože je parametrický proces obecně koherentní, bude na něm záviset mnoho parametrických nelineárních procesů fázová shoda a obvykle bude polarizace závislý.

Ukázky parametrických nelineárních procesů:

• Druhá harmonická generace (SHG) nebo zdvojnásobení frekvence, generace světla se zdvojnásobenou frekvencí (polovina vlnové délky)
• Třetí harmonická generace (THG), generování světla se ztrojnásobenou frekvencí (jedna třetina vlnové délky) (obvykle probíhá ve dvou krocích: SHG následovaná SFG původních a frekvenčně zdvojnásobených vln)
• Vysoce harmonická generace (HHG), generování světla s frekvencemi mnohem vyššími než originál (obvykle 100 až 1 000krát vyšší)
• Generování součtové frekvence (SFG), generování světla s frekvencí, která je součtem dvou dalších frekvencí (SHG je zvláštním případem tohoto)
• Generování rozdílové frekvence (DFG), generace světla s frekvencí, která je rozdílem mezi dvěma dalšími frekvencemi
• Optické parametrické zesílení (OPA), zesílení vstupního signálu za přítomnosti vysokofrekvenční vlny čerpadla, současně generující idler vlna (lze považovat za DFG)
• Optická parametrická oscilace (OPO), generování signálu a napínací vlny pomocí parametrického zesilovače v rezonátoru (bez vstupu signálu)
• Optické parametrické generování (OPG), jako parametrická oscilace, ale bez rezonátoru, místo toho s velmi vysokým ziskem
• Spontánní parametrická down-konverze (SPDC), zesílení kolísání vakua v režimu nízkého zisku
• Optický Kerrův efekt, index lomu závislý na intenzitě
• Autofokus
• Modelování Kerrových čoček (KLM)
• Samofázová modulace (SPM), a ${ displaystyle chi ^ {(3)}}$ účinek
• Optické solitony
• Mezifázová modulace (XPM)
• Čtyřvlnové míchání (FWM), mohou také vzniknout z jiných nelinearit
• Generování křížově polarizovaných vln (XPW), a ${ displaystyle chi ^ {(3)}}$ efekt, při kterém je generována vlna s polarizačním vektorem kolmým na vstup

Ukázky neparametrických nelineárních procesů:

• Stimulovaný Ramanův rozptyl
• Ramanovo zesílení
• Absorpce dvou fotonů, současná absorpce dvou fotonů, přenos energie na jediný elektron
• Vícefotonová absorpce
• Násobek fotoionizace, téměř simultánní odstranění mnoha vázaných elektronů jedním fotonem

Viz také

• Nelineární optika

Poznámky

Reference

• Boyd, Robert (2008). Nelineární optika (3. vyd.). Akademický tisk. str. 13–15. ISBN  978-0-12-369470-6.
• Paschotta, Rüdiger, „Parametrické nelinearity“, Encyclopedia of Laser Physics and Technology