Nichtlineare Optik

In einem nichtlinearen optischen Medium ist der Zusammenhang zwischen elektrischem Feld E und Polarisation P nicht linear.

In der linearen Optik ist die Suszeptibilität $\chi$ eine Materialkonstante eines optischen Mediums, z. B. eines Kristalls. Im nichtlinearen Bereich ist sie abhängig von der lokalen elektrischen Feldstärke des Lichts.

Zwei wichtige Prinzipien der linearen Optik sind in der nichtlinearen Optik verletzt: das Superpositionsprinzip und die Frequenzerhaltung.

Jedes Medium ist nichtlinear, kann aber in guter Näherung als linear betrachtet werden, solange die auftretenden Feldstärken klein sind. Große Feldstärken werden z. B. von fokussierter Laserstrahlung erzeugt, insbesondere bei gepulsten Lasern, bei denen die Energie in sehr kurzer Zeit abgestrahlt wird. Auch in Lichtwellenleitern sind nichtlineare Effekte zu berücksichtigen. Es treten z. B. folgende nichtlineare optische Effekte auf:

Frequenzverdopplung, Frequenzvervielfachung, Erzeugung der Summen- und Differenzfrequenz: Die Erzeugung einer Lichtwelle doppelter Frequenz in einem nichtlinearem Medium ist der einfachste nichtlineare optische Effekt. Frequenzverdopplung tritt nur an Oberflächen oder in bestimmten Kristallen, in denen die räumliche Inversionssymetrie gebrochen ist, auf. Beispiele sind Kaliumdihydrogenphosphat und Beta-Bariumborat. Aus Gründen der Kristallsymmetrie kann in den meisten kristallinen Medien sowie in isotropen Medien wie Flüssigkeiten und Gasen nicht die doppelte, sondern nur die dreifache Frequenz erzeugt werden; für diese sind aber meist noch höhere Feldstärken als für Frequenzverdopplung notwendig. In Kristallen, die für Frequenzverdopplung eingesetzt werden, wird durch "Mischen" von Licht unterschiedlicher Frequenzen auch die Summe und Differenz der Frequenzen erzeugt.

Photoionisation

(siehe auch: REMPI-TOF)

Selbstfokussierung: Bei sehr hohen Lichtintensitäten (> $10^9 W/cm^2$ ) können Laserstrahlen durch den Kerr Effekt ihre eigene Ausbreitung derart beeinflussen, dass der Strahldurchmesser immer kleiner und die Intensität immer größer wird. Durch einsetzende Ramanstreuung und Brillouinstreuung wird der Prozess abgebrochen.

Ramanstreuung: Wechselwirkung des Lichts mit Molekülschwingungen. Hierdurch vergrößert sich die Wellenlänge des Lichtstrahls.

Brillouin-Streuung: Streuung von Licht an Schallwellen in der Faser. Es entsteht gestreutes Licht mit umgekehrter Ausbreitungsrichtung, diese gespiegelte Lichtwelle hat durch den Dopplereffekt eine Frequenzerhöhung erfahren.

Selbstphasenmodulation (SPM), Kreuzphasenmodulation (XPM), Vier-Wellen-Mischung (FWM): Nichtlineare Überlagerung verschiedener Kanäle.

siehe auch: Frequenzkonversion, Frequenzverdopplung, Zwei-Photonen-Absorption, Ramanspektroskopie

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