Как работает смешивание частот в нелинейном кристалле?

Текущее понимание:

Нелинейная оптика классифицируется по влиянию электрического поля, приложенного к среде. В нелинейных кристаллах при приложении поля диэлектрическая поляризация не реагирует на него пропорционально.

Нелинейные среды используются для изменения длины волны света. Когда два луча одной и той же частоты падают на такую ​​среду синхронно по фазе, они поглощаются и излучаются от поверхности как один луч с удвоенной частотой.

На основе отдельных фотонов два фотона входят в материал и уничтожаются, а другой создается с удвоенной частотой из-за сохранения энергии и импульса. (Два поглощаются, затем один повторно излучается.)

Мой источник путаницы:

Смешение частот, по-видимому, происходит тогда и только тогда, когда имеет место поглощение фотонов. Однако нелинейные кристаллы прозрачны, поэтому большинство фотонов не поглощаются, а вместо этого рассеиваются электрическими полями окружающих атомов.

Вопрос:

Если имеет место очень малое поглощение, то по какому механизму происходит смешивание частот?

Дополнительный вопрос: если происходит смешивание частот, все ли фотоны смешиваются? Или несмешанный свет также покидает кристалл?

Ответы (1)

Смешивание частот - это механизм. Ментальные картины вида «два фотона поглощаются , а один больший фотон излучается » полезны, но в конечном счете они просто не настолько точны, если только вы не готовы рассматривать любое взаимодействие света с материалами (включая рассеивание света стеклом). ) в виде непрерывных петель поглощения и излучения.

Тем не менее, при смешении частот обычно происходит передача энергии от одного луча к другому. Если режим правильный, то количество энергии, фактически отложенное в материале, может быть незначительным, поэтому любая энергия, пробивающаяся к 2 ю режим выводится непосредственно из ю Водитель. Физический механизм - возбуждение поляризации п ( т ) в среде, создающей электрическое поле, усиливающее 2 ю и разрушающе вмешивается в ю . В идеальном случае поляризация только опосредует обмен и сама сохраняет незначительное количество энергии (хотя нелинейный эквивалент соотношений Крамерса-Кронига накладывает ограничения на то, насколько это возможно).

Если процесс идеально синхронизирован по фазам, то можно добиться 100 % эффективность преобразования, хотя для достижения этого обычно требуется немало усилий в лаборатории. Для достижения этого также требуется, чтобы длина среды была точно правильной: если среда становится слишком длинной, поток энергии будет меняться (путем стимулированного параметрического преобразования с понижением частоты) до тех пор, пока вся энергия не вернется в основную гармонику.

Однако в большинстве реальных приложений используется лишь часть энергии драйвера. Это проблема, например, с зелеными лазерными указками, которые на самом деле являются ИК-лазерами с удвоенной частотой и нуждаются в фильтре для уничтожения (опасного и невидимого) ИК-луча; в низкокачественных указках это отсутствует, что создает угрозу безопасности, которую можно диагностировать с помощью простого домашнего эксперимента .

На самом деле я рассматриваю любое взаимодействие света с материалами как непрерывные петли поглощения и излучения. С добавленным учетом интеграла пути освещения, который учитывает все возможные результаты, а не один путь. Что-то не так с этим ходом мыслей? Если да, то это неправильно или просто неэффективно?
Нет, в этом нет ничего плохого, как такового. Однако это скрывает тот факт, что все эти виртуальные петли лучше всего рассматривать как единую квазичастицу, на которую смотрят с неудобной точки зрения. В данном случае это не фатально, но выбор неправильного базиса может привести к тому, что вы упустите важные квазичастицы — см., например, Нобелевскую лекцию Роберта Лафлина, где приведены некоторые примеры, где квазичастицы действительно играют главную роль.
Один комментарий к вашему ответу, написав: «Если режим правильный, количество энергии, которое фактически выделяется в материал, может быть незначительным, поэтому любая энергия, которая попадает в моду 2ω, забирается непосредственно из драйвера ω». Звучит так, будто из материала можно извлечь энергию. То есть он может подаваться откуда-то, кроме драйвера ω. Из остального содержания совершенно ясно, что это не так. Я просто указываю на это, чтобы улучшить ваш ответ.