Nelineární optika

Garant předmětu:

Ivan Richter

Přednášející:

Ivan Richter

Cvičící:

Pavel Kwiecien, Ivan Richter

Předmět zajišťuje:

katedra laserové fyziky a fotoniky

Anotace:

Přednáška pojednává o úvodních i pokročilejších partiích nelineární optiky, jak z klasického tak kvantového (poloklasického) pohledu. Navazuje na předchozí kursy Fyzikální optiky. Z klasického pohledu pozornost věnuje interakčním optickým procesům v dielektrickém prostředí, vektoru polarizace a mikroskopickému pohledu na vektor polarizace. Dále se zaměřuje na disperzní vlastnosti nelineárních susceptibilit (nelinearita 2. řádu pro necentrosymetrická prostředí a nelinearita 3. řádu pro centrosymetrická prostředí) a na symetrie tenzoru nelineární susceptibility. Z kvantového (poloklasického) pohledu pozornost dále věnuje odvození lineární, kvadratické a kubické susceptibility, specialně pak diskutuje rezonanční proces ve dvouhladinovém prostředí. Diskutují se zákony zachování, Manley-Roweovy vztahy, fázový synchronismus a jeho typy. Prednáška dále odděleně diskutuje třívlnový proces, generaci druhé harmonické, generaci součtových a rozdílových frekvencí, čtyřvlnový proces, optický Kerrův jev, generaci třetí harmonické. Soustřeďuje se na indukované změny indexu lomu, samofokuzační a automodulační procesy, elektrooptický a fotorefraktivní jev, na procesy nelineárního rozptylu světla, optickou fázovou konjugaci, na nelineární absorpční jevy a na nelineární jevy krátkých impulzů. Prednáška je zakončena prehledem aplikací vybraných nelineárně optických jevů.

Požadavky:

Předpokladem pro studium předmětu 12NOP je absolvování předmětu Fyzikální optika (12FOPT) či jeho ekvivalentu.

Dva zápočtové testy v průběhu semestru. První test proběhne přibližně v polovině semestru, druhý na jeho konci. Zápočet bude udělen za současného splnění následující podmínek: 1) student se zúčastnil alespoň 75 % všech cvičení v rámci semestru; 2) účast na cvičení byla aktivní (prezentace řešení zadaných úloh během cvičení).

Osnova přednášek:

1. Úvod - aproximace nelineárních systémů lineárními vztahy.

2. Vynucené kmitání nelineárních systémů, lineární a nelineární vlna v neomezeném prostředí.

3. Helmholtzova vlnová rovnice vázaných vln, mikroskopický pohled na vektor polarizace: polarizovatelnost prostředí.

4. Susceptibilita v klasickém pojetí, nelinearita 2. řádu, nelinearita 3. řádu.

5. Projevy obecných zákonitostí symetrie tenzoru nelineární susceptibility.

6. Susceptibilita v kvantovém pojetí, lineární, kvadratická a kubická susceptibilita, nelineární rezonanční proces.

7. Nerezonanční vazba vln v nelineárním prostředí, Manley-Roweovy vztahy, fázový synchronizmus a jeho typy.

8. Třívlnový proces s nelineritou 2. řádu, čtyřvlnový proces s nelinearitou 3. řádu.

9. Nelinearitami indukované změny indexu lomu, samofokuzační procesy, prostorový a časový soliton.

10. Elektrooptický jev, fotorefraktivní jev, dvouvlnová a čtyřvlnová interakce ve fotorefraktivním prostředí.

11. Procesy nelineárního rozptylu světla, klasifikace rozptylu, fyzika Ramanova a Brillouinova rozptylu.

12. Optická fázová konjugace, holografický model konjugace, fázová konjugace generovaná nelineárními procesy.

13. Nelineární absorpční jevy, rozšíření spektrální čáry, saturovatelná absorpce, dvoufotonová absorpce.

14. Nelineární jevy krátkých impulzů, nelineární Schrödingerova rovnice, samozaostřování impulzu.

15. Aplikace vybraných nelineárně optických jevů.

Osnova cvičení:

1. Zobecnění komplexní symboliky, ekvivalence komplexní symboliky a klasického přístupu.

2. Mechanická analogie nelineárních rovnic - kyvadlo s velkou výchylkou.

3. Problematika Helmholtzovy rovnice vázaných vln, aplikace pro systémy s nelinearitou 2. a 3. řádu.

4. Anizotropní materiály - koeficienty tenzoru nelineární susceptibility.

5. Praktické pojetí Manley-Roweových vztahů.

6. Rozdíl mezi samofokusací a samovedením; rovnice solitonů.

7. Elektrooptický jev - příčný, vyššího řádu, fotorefraktivní jev.

8. Nelineární rozptyly.

Cíle studia:

Znalosti:

Základní i pokročilé znalosti z oblasti nelineární optiky, jejích metod a postupech, jak teoretických, tak praktických, v návaznosti na předchozí znalosti z fyzikální optiky.

Schopnosti:

Orientace v problematice nelineární optiky, schopnost vytvoření nadhledu, praktické aplikace a porozumění základním fyzikálním jevům, principům a jejich aplikace v praxi.

Studijní materiály:

Povinná literatura

[1] P. Fiala, I. Richter, Nelineární optika, Skriptum FJFI ČVUT, 2009.

[2] R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 4th edition, Academic Press, London, 2020.

Doporučená literatura:

[3] B. E. A. Saleh, M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, 3rd edition, J. Wiley & Sons, 2019.

[4] G.S. He, Nonlinear Optics and Photonics, Oxford University Press, Oxford, 2014.

[5] R. L. Sutherland, Handbook of Nonlinear Optics, 2nd edition, Dekker, 2003.

[6] P. E. Powers, Field guide to Nonlinear Optics, SPIE Press, 2013.

[7] P. E. Powers, J. W. Haus, Fundamentals of Nonlinear Optics, 2nd edition, CRC Press, 2017.

Poznámka:

Rozvrh na zimní semestr 2025/2026:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2025/2026:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Fyzikální elektronika - Fotonika (PS)
• Fyzikální elektronika - Laserová fyzika a technika (PS)
• Fyzikální elektronika - Počítačová fyzika (volitelný předmět)
• Kvantové technologie (volitelný předmět)