Techniklexikon

nichtlineare Optik

Laserphysik und -technik, Bereich der Optik, der sich mit nichtlinearen Frequenzmischungen und Frequenzvervielfachungen in Kristallen und Gasen auseinandersetzt. Besondere Bedeutung hat die nichtlineare Optik zur Erzeugung von Licht in Spektralbereichen, in denen es noch keine durchstimmbaren Laser gibt, etwa im fernen Infrarot und im VUV (VUV-Strahlung).

Fällt eine elektromagnetische Welle der Form  auf Atome oder Moleküle eines dielektrischen Mediums, so werden dort durch Ladungsverschiebung elektrische Dipole  erzeugt, deren Vektorsumme pro Volumeneinheit die dielektrische Polarisation  genannt wird. Diese lässt sich in einer Potenzreihe entwickeln:

wobei  die Suszeptibilitäten n-ter Ordnung sind. Ihre Grösse hängt von dem nichtlinearen Medium ab. Allgemein gilt zwar, dass . Dennoch können die höheren, nichtlinearen Terme bei grossen elektrischen Feldstärken  eine bedeutende Rolle spielen.

Die oszillierenden induzierten Dipolmomente  sind ihrerseits Quellen einer elektromagnetischen Strahlung, deren Frequenzspektrum durch das von  bestimmt ist. Bei der Überlagerung von zwei einfallenden Wellen  und  erhält man durch Betrachtung der Terme quadratischer Ordnung

Das Ergebnis der Überlagerung ist also ein frequenzunabhängiger Term, der als optische Gleichrichtung bezeichnet wird, ein Term, der proportional zu den Intensitäten  und  der einfallenden Feldstärken ist, sowie ein Term, der proportional zum Produkt der beiden Amplituden E₁ und E₂ ist. Verallgemeinert gilt, dass die Intensität I einer Welle aus i Grundwellen mit einer Frequenz, die der Summe der Frequenzen der Einzelwellen entspricht, proportional zum Produkt der Intensitäten der Grundwellen ist:

Diese Abhängigkeit ist der Grund dafür, dass für die nichtlineare Optik meist gepulste Laser verwendet werden, die höhere Leistungsdichten ermöglichen als die kontinuierlichen. Wegen der unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten von Wellen unterschiedlicher Frequenz im nichtlinearen Medium muss für den Aufbau einer makroskopischen und damit messbaren Welle eine Phasenanpassung vorgenommen werden.

Anwendung findet die nichtlineare Optik bei der Frequenzvervielfachung, bei der Frequenzmischung und in optisch-parametrischen Oszillatoren (OPO).