nichtlineare Optik

nichtlineare Ọptik,

 

Abkürzung NLO, Gebiet der Optik, das nichtlineare Wechselwirkungen elektromagnetischer Strahlung (z. B. Licht) mit Materie (Festkörper, Flüssigkeiten, Gase, Plasmen) untersucht. Diese treten v. a. auf, wenn die elektrische Feldstärke einer Lichtwelle nicht klein gegen die Feldstärken ist, die für die Bindung der Materiebausteine untereinander sorgen, insbesondere auch die der Elektronen in Atomen und Molekülen (etwa 10⁸ V/cm). Während in der linearen Optik vorausgesetzt wird, dass die optischen Eigenschaften des Mediums unabhängig von der Intensität des eingestrahlten Lichts sind, befasst sich die nichtlineare Optik mit allen Effekten, bei denen sich die optischen Eigenschaften der Materie mit zunehmender Strahlungsintensität reversibel ändern. Die Erzeugung derart hoher Feldstärken, die im optischen Frequenzbereich durch die Entwicklung des Lasers möglich wurden, haben nichtlineare Anteile in den Materialbeziehungen der maxwellschen Gleichungen zur Folge, wie die Abhängigkeit der elektrischen Polarisation von der elektrischen Feldstärke. Diese Nichtlinearitäten führen im Unterschied zu den Vorgängen in der linearen Optik (Superpositionsprinzip) zu einer Wechselwirkung der elektromagnetischen Wellen.

 

Bei Durchstrahlung eines optisch nichtlinearen Materials mit einem Laserstrahl entsteht durch die nichtlineare elektrische Polarisation Licht mit völlig anderen Eigenschaften, v. a. anderen Frequenzen. Hierzu gehören insbesondere die Erzeugung neuer Frequenzen, so genannter Harmonischer oder Oberwellen, wie die Frequenzverdopplung (bei der ein Lichtstrahl der Frequenz ω teilweise in einen der Frequenz 2ω umgewandelt wird), die Frequenzverdreifachung usw., sowie die Entstehung von Licht mit der Summen- oder Differenzfrequenz zweier eingestrahlter Wellen (Frequenzmischung). Unter Ausnutzung der nichtlinearen Polarisation kann eine Lichtwelle auf Kosten einer anderen verstärkt werden (parametrische Verstärkung). Ein Sonderfall der Frequenzumwandlung ist die optische Gleichrichtung, d. h. die Erzeugung einer elektrischen Gleichfeldkomponente durch eine elektromagnetische Welle in einem nichtlinearen Kristall. - Durch das Strahlungsfeld eines Lasers können Brechzahl und Stärke der Absorption eines Materials für Licht einer bestimmten Wellenlänge verändert werden. Die Intensität des Laserlichts reicht aus, die Absorption eines Materials, das für die schwache Strahlung einer üblichen Lichtquelle undurchlässig ist, so weit »auszubleichen«, dass es für den Laserstrahl transparent wird (gesättigte Absorption). Dieser Effekt wird z. B. bei Güteschaltern und dem Modelocking bei Lasern ausgenutzt. In durchsichtigen Stoffen tritt dagegen Mehrphotonenabsorption, d. h. die gleichzeitige Absorption von mehreren Photonen durch ein Atom oder Molekül, auf. Die intensitätsabhängige Veränderung der Brechzahl in einem durchstrahlten nichtlinearen Medium führt wegen der Verteilung der Lichtintensität über den Stahlquerschnitt zu einer entsprechenden Variation der optischen Dichte und damit zu Selbstfokussierung oder Selbstdefokussierung eines intensiven Laserstrahls. Zusammen mit der Laufzeitdispersion (der Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Wellenlänge) kann die intensitätsabhängige Brechzahl Laserimpulse verkürzen (Pulskompression), was für die Erzeugung von ultrakurzen Laserimpulsen ausgenutzt wird, sowie die Bildung optischer Solitonen verursachen.

 

Weitere Effekte der nichtlinearen Optik sind induzierte Streuprozesse, z. B. die stimulierte Raman-Streuung (Raman-Effekt), die Phasenkonjugation, die Zweiphotonenfluoreszenz sowie der Kerr-Effekt und der Pockels-Effekt. Verschiedene Effekte der nichtlinearen Optik verändern auch doe Photonenstatistik und können damit für die Erzeugung von nichtklassischem Licht verwendet werden.