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비선형 광학

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목차

1. 개요

비선형 광학은 입사광의 특성에 비선형적인 응답을 보이는 현상을 연구하는 분야이다. 1931년 이광자 흡수에 대한 이론적 예측 이후, 레이저 개발과 함께 제2차 고조파 발생의 발견으로 실험적으로 관측되었다. 비선형 광학은 고조파 발생, 광 혼합, 광 파라메트릭 효과, 다광자 전이, 비선형 굴절률 변화 등 다양한 현상을 포함하며, 파동 방정식과 매질의 전기 감수율을 통해 설명된다. 이러한 현상은 주파수 혼합, 위상 정합, 고차 주파수 혼합, 커 효과 등을 통해 나타나며, 주파수 배가, 광학적 위상 공액, 분자 비선형 광학 등 다양한 응용 분야에서 활용된다.

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비선형 광학
비선형 광학
비선형 광학
강한 빛을 재료에 입사시키면 입사파의 비선형적인 반응이 나타난다.
개요
정의빛의 세기가 강할 때 나타나는 비선형적인 광학 현상 연구 분야
주요 연구 대상비선형 광학 효과
비선형 광학 재료
비선형 광학 소자
역사
초기 연구1960년대 레이저 발명 이후 시작
발전레이저 기술 발전과 함께 급속한 발전
주요 현상
비선형 편극강한 전기장 하에서 물질의 유전율이 변하는 현상
고조파 생성입사광 주파수의 정수배 주파수를 갖는 빛 생성
광파 혼합여러 파장의 빛이 혼합되어 새로운 파장의 빛 생성
자기 위상 변조빛의 세기에 따라 빛의 위상이 변하는 현상
광학 파라메트릭 과정비선형 매질에서 광자 에너지 교환
다광자 흡수하나의 분자가 여러 광자를 동시에 흡수하는 현상
유도 라만 산란광자와 물질 사이의 진동 에너지 교환
주요 응용
레이저새로운 파장의 레이저 개발
레이저의 성능 향상
광통신광 신호 처리 및 제어
광 스위칭
광학 정보 처리광학 컴퓨터
광학 센서
분광학비선형 분광법
물질 특성 분석
생의학비선형 현미경
생체 영상
광역동 치료
관련 분야
광학광학의 한 분야
레이저 물리학레이저와 관련된 물리학 분야
응축물질물리학물질의 거시적 성질 연구 분야
양자 광학빛의 양자적 성질 연구 분야
참고 자료
참고 자료Nonlinear optics
Nonlinear optical processes in the UV

2. 역사

최초로 예측된 비선형 광학 효과는 마리아 괴퍼트 메이어가 1931년 박사 학위 논문에서 예측한 이광자 흡수였지만, 1961년 벨 연구소[1]에서 이광자 흡수가 관측되고 미시간 대학교의 피터 프랭컨 등이 제2차 고조파 발생을 발견[2]할 때까지는 탐구되지 않은 이론적 호기심으로 남아 있었다. 이 두 사건은 모두 테오도어 메이먼이 최초의 레이저를 개발한 직후에 일어났다.[2] 그러나 레이저 개발 이전에도 일부 비선형 효과가 발견되었다.[3] 많은 비선형 과정의 이론적 기반은 니콜라스 블룸버겐의 저서 "비선형 광학(Nonlinear Optics)"에서 처음으로 설명되었다.[4]

3. 주요 비선형 광학 현상

비선형 광학 현상은 입사광의 주파수, 편광, 위상, 경로 등의 특성이 비선형적으로 반응하여 발생하는 다양한 현상을 포함한다.[2] 이러한 비선형 상호작용은 빛의 특성을 변화시키거나 새로운 빛을 생성하는 등 여러 광학 현상을 일으킨다.

비선형 광학 효과는 최초에는 이론적으로 예측되었으나, 테오도어 메이먼이 최초의 레이저를 개발한[2] 이후 본격적으로 연구되기 시작했다. 1931년 마리아 괴퍼트 메이어가 이광자 흡수를 예측했고[1], 1961년 벨 연구소에서 이광자 흡수가 관측되었으며, 같은 해 미시간 대학교의 피터 프랭컨 연구팀이 제2차 고조파 발생을 발견했다.[2] 니콜라스 블룸버겐의 저서 "비선형 광학"은 많은 비선형 과정의 이론적 기반을 제공했다.[4]

비선형 광학 현상은 어떤 물질에서도 나타날 수 있으며, 일반적인 기체, 액체, 고체뿐만 아니라 플라스마, 생체, 입자선 등 다양한 환경에서 연구되고 있다. 또한, 비선형 광학은 현상 자체의 연구뿐만 아니라, 광전자 공학, 비선형 분광학, 레이저 공학 등 광범위한 응용 분야를 가지고 있다.

대표적인 비선형 광학 현상은 다음과 같다.


  • 주파수 혼합 과정: 입사광의 주파수가 변환되는 현상이다.
  • 고조파 발생, 합 주파수 발생, 차 주파수 발생, 광학적 파라메트릭 과정, 광학적 정류, 자유 전자 및 플라스마와의 비선형 광-물질 상호 작용 등이 있다.
  • 기타 비선형 과정: 주파수 변환 외에 빛의 세기, 위상, 편광 등 다양한 특성이 변화하는 현상이다.
  • 광학적 커 효과, 셀프 포커싱, 커 렌즈 모드 잠금, 셀프 위상 변조, 광학적 솔리톤, 셀프 회절, 교차 위상 변조, 사파 혼합, 교차 편광파 발생, 변조 불안정성, 라만 증폭, 광 위상 공액, 자극 브릴루앙 산란, 다광자 흡수, 다중 광전이온화, 광학 시스템의 혼돈 등이 있다.
  • 관련 과정: 비선형 광학 현상과 밀접하게 관련된 현상들이다.
  • 포켈스 효과, 음향 광학, 라만 산란 등이 있다.

3. 1. 주파수 혼합 과정 (Frequency-mixing processes)


  • 고조파 발생(Harmonic Generation): 입사광의 정수배 주파수를 갖는 빛을 발생시키는 현상이다.[2]
  • 합 주파수 발생(Sum Frequency Generation, SFG): 서로 다른 두 주파수의 합 주파수를 갖는 빛을 발생시킨다. (\[\[제2차 고조파 발생|SHG]]는 SFG의 특수한 경우)[2]
  • 차 주파수 발생(Difference Frequency Generation, DFG): 서로 다른 두 주파수의 차 주파수를 갖는 빛을 발생시킨다.[2]
  • 광학적 파라메트릭 과정(Optical Parametric Processes)
  • 광학적 정류(Optical Rectification, OR): 준정적(quasi-static) 전기장을 생성한다.[2]
  • 자유 전자 및 플라스마와의 비선형 광-물질 상호 작용[5][6][7][8]

3. 2. 기타 비선형 과정 (Other nonlinear processes)


  • 광학적 커 효과: 빛의 세기에 따라 굴절률이 변하는 현상 (χ⁽³⁾ 효과).[2]
  • 셀프 포커싱: 빛의 세기의 공간적 변화가 굴절률의 공간적 변화를 일으켜 발생하는 현상으로, 광학적 커 효과 및 고차 비선형성에 의해 발생한다.
  • 커 렌즈 모드 잠금: 셀프 포커싱을 레이저 모드 잠금 메커니즘으로 사용하는 방법이다.
  • 셀프 위상 변조: 빛의 세기의 시간적 변화가 굴절률의 시간적 변화를 일으켜 발생하는 현상으로, 광학적 커 효과 및 고차 비선형성에 의해 발생한다.
  • 광학적 솔리톤: 분산과 커 효과 사이의 균형으로 인해 전파 중에도 변하지 않는 광 펄스(시간적 솔리톤) 또는 공간 모드(공간적 솔리톤)에 대한 평형 해 (시간적 솔리톤의 경우 셀프 위상 변조, 공간적 솔리톤의 경우 셀프 포커싱).
  • 셀프 회절: 다파 혼합 과정에서 빔이 분리되는 현상.[9]
  • 교차 위상 변조: 광학적 커 효과를 통해 한 파장의 빛이 다른 파장의 빛의 위상에 영향을 줄 수 있는 현상.
  • 사파 혼합: 다른 비선형성으로부터 발생할 수도 있는 현상.
  • 교차 편광파 발생: 입력파와 수직인 편광 벡터를 가진 파가 생성되는 χ⁽³⁾ 효과.
  • 변조 불안정성.[10]
  • 라만 증폭.[11]
  • 광 위상 공액.
  • 자극 브릴루앙 산란: 광자와 음향 포논의 상호 작용.
  • 다광자 흡수: 두 개 이상의 광자를 동시에 흡수하여 에너지를 단일 전자로 전달하는 현상.
  • 다중 광전이온화: 하나의 광자에 의해 많은 결합 전자가 거의 동시에 제거되는 현상.
  • 광학 시스템의 혼돈.
  • 고조파 발생: 특정 주파수의 입사광에 의해 물질에서 정수배의 주파수를 갖는 빛이 방출되는 현상.
  • 광 혼합: 위상 정합 조건 하에서, 서로 다른 여러 주파수의 입사광에 의해, 그들과는 다른 결합 주파수의 빛이 물질에서 발생하는 현상.
  • 광 파라메트릭 효과: 방출되는 두 빛의 주파수의 합이 입사광의 주파수와 같은 현상.
  • 다광자 전이: 여러 개의 광자를 동시에 흡수하거나 방출하여, 광자 에너지의 합 또는 차에 해당하는 고유 상태로 전이하는 현상.
  • 비선형 굴절률 변화: 입사광 강도가 강하기 때문에 매질 내에 굴절률 분포를 만드는 현상.
  • 전기장 의존 굴절률 변화: 매질의 굴절률이 매질에 걸린 전기에 따라 변화하는 현상. 전기 광학 효과라고도 한다.
  • 위상 공액 거울: 보상 광학의 실현 방법으로 연구되고 있다.

3. 3. 관련 과정 (Related processes)


  • 포켈스 효과: 정전기장에 의해 굴절률이 변하는 현상이다. 전기광학 변조기에 사용된다.[1]
  • 음향 광학: 음파(초음파)에 의해 굴절률이 변하는 현상이다. 음향 광학 변조기에 사용된다.[1]
  • 라만 산란: 광자와 광학 포논의 상호 작용이다. 일반적인 라만 산란(자연 방출 라만 산란)은 비선형 광학 과정으로 분류되지 않는다.[1]

4. 파라메트릭 과정 (Parametric processes)

비선형 광학에서 파라메트릭 과정은 비선형 물질의 양자 상태가 변하지 않는 상호작용을 의미한다. 이러한 과정은 "순간적"이며, 에너지와 운동량이 보존되므로 위상 정합이 중요하고 편광에 의존한다.[12]

최초로 예측된 비선형 광학 효과는 1931년 마리아 괴퍼트 메이어가 예측한 이광자 흡수였지만,[1] 1961년 벨 연구소에서 관측되기 전까지는 이론적인 영역에 머물러 있었다.[2] 같은 해 미시간 대학교의 피터 프랭컨 연구팀은 제2차 고조파 발생을 발견했다.[2] 이 두 발견은 테오도어 메이먼의 레이저 개발 직후에 이루어졌다.[2] 그러나 레이저 개발 이전에도 일부 비선형 효과는 발견되었다.[3] 니콜라스 블룸버겐은 저서 "비선형 광학"에서 많은 비선형 과정의 이론적 기반을 처음으로 설명했다.[4]

비선형 광학은 입사광의 주파수, 편광, 위상, 경로 등의 특성에 대한 비선형적인 응답을 다룬다.[2]

4. 1. 이론 (Theory)

광학장이 너무 크지 않은 경우, 유전체 분극 밀도(전기 쌍극자 모멘트 단위 부피당) '''P'''(''t'')는 전기장 '''E'''(''t'')의 테일러 급수로 전개할 수 있다.

:\mathbf{P}(t) = \varepsilon_0 \left( \chi^{(1)} \mathbf{E}(t) + \chi^{(2)} \mathbf{E}^2(t) + \chi^{(3)} \mathbf{E}^3(t) + \ldots \right),

여기서 χ(''n'')은 매질의 ''n''차 전기 감수율을 나타내는 (''n'' + 1)차 텐서이며, 매개변수 상호 작용의 편광 의존성과 비선형 재료의 대칭성(또는 결여)을 모두 나타낸다.[2]

4. 1. 1. 비선형 물질에서의 파동 방정식 (Wave equation in a nonlinear material)

전자기파 연구의 중심에는 파동 방정식이 있다. 등방성 공간에서 자유 전하가 없는 맥스웰 방정식에서 시작하여, 다음을 보일 수 있다.

:

\nabla \times \nabla \times \mathbf{E} + \frac{n^2}{c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2}\mathbf{E}

= -\frac{1}{\varepsilon_0 c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2}\mathbf{P}^\text{NL},



여기서 '''P'''NL은 분극 밀도의 비선형 부분이고, ''n''은 '''P'''의 선형 항에서 나오는 굴절률이다.

일반적으로 다음 벡터 항등식을 사용할 수 있다.

:\nabla \times \left( \nabla \times \mathbf{V} \right) = \nabla \left( \nabla \cdot \mathbf{V} \right) - \nabla^2 \mathbf{V}

그리고 자유 전하가 없다고 가정할 때(가우스 법칙, \rho_\text{free} = 0),

:\nabla\cdot\mathbf{D} = 0,

보다 친숙한 파동 방정식을 얻을 수 있다.

:

\nabla^2 \mathbf{E} - \frac{n^2}{c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2}\mathbf{E} = \mathbf{0}.



비선형 매질의 경우, 가우스 법칙은 등방성 매질에서도 일반적으로 항등식

:\nabla\cdot\mathbf{E} = 0

이 참이라는 것을 의미하지 않는다. 그러나 이 항이 항등적으로 0이 아니더라도, 종종 무시할 만큼 작아서 실제로는 일반적으로 무시되며, 표준 비선형 파동 방정식을 얻는다.

:

\nabla^2 \mathbf{E} - \frac{n^2}{c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2}\mathbf{E}

= \frac{1}{\varepsilon_0 c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2}\mathbf{P}^\text{NL}.


4. 1. 2. 비선형성을 파동 혼합 과정으로 해석 (Nonlinearities as a wave-mixing process)

비선형 파동 방정식은 비균질 미분 방정식이며, 상미분 방정식 연구에서 유도된 그린 함수를 이용하여 해를 구할 수 있다.[2] 물리적으로는 파동 방정식의 균질 부분에 대한 일반적인 전자기파 해를 얻는다.

:\nabla^2 \mathbf{E} - \frac{n^2}{c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2}\mathbf{E} = \mathbf{0},

그리고 비균질 항

:\frac{1}{\varepsilon_0 c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2}\mathbf{P}^\text{NL}

은 전자기파의 구동자/원천 역할을 한다.[2] 이로 인한 결과 중 하나는 서로 다른 주파수 사이의 에너지 혼합 또는 결합으로 이어지는 비선형 상호작용이며, 이는 종종 "파동 혼합"이라고 불린다.[2]

일반적으로 n차 비선형성은 (n + 1)파 혼합을 유발한다.[2] 예를 들어, 2차 비선형성(3파 혼합)만 고려하면 분극 '''P'''는 다음 형태를 취한다.[2]

:\mathbf{P}^\text{NL} = \varepsilon_0 \chi^{(2)} \mathbf{E}^2(t).

만약 E(t)가 ω₁ 및 ω₂ 주파수의 두 성분으로 구성되었다고 가정하면, E(t)는 다음과 같이 쓸 수 있다.[2]

:\mathbf{E}(t) = E_1\cos(\omega_1t) + E_2\cos(\omega_2t),

오일러 공식을 사용하여 지수 함수로 변환하면 다음과 같다.

:\mathbf{E}(t) = \frac{1}{2}E_1 e^{-i\omega_1 t} + \frac{1}{2}E_2 e^{-i\omega_2 t} + \text{c.c.},

여기서 "c.c."는 켤레 복소수를 나타낸다. 이것을 '''P'''에 대한 식에 대입하면 다음과 같다.

:\begin{align}

\mathbf{P}^\text{NL}

&= \varepsilon_0 \chi^{(2)} \mathbf{E}^2(t) \\[3pt]

&= \frac{\varepsilon_0}{4} \chi^{(2)} \left[{E_1}^2 e^{-i2\omega_1 t} + {E_2}^2 e^{-i2\omega_2 t} + 2E_1 E_2 e^{-i(\omega_1 + \omega_2)t} + 2E_1 {E_2}^* e^{-i(\omega_1 - \omega_2)t} + \left(\left|E_1\right|^2 + \left|E_2\right|^2\right)e^{0} + \text{c.c.}\right],

\end{align}

이것은 2ω₁, 2ω₂, ω₁ + ω₂, ω₁ − ω₂, 0에서 주파수 성분을 가지며,[2] 이러한 3파 혼합 과정은 각각 이중 조화파 발생, 합주파 발생, 차주파 발생 및 광 정류로 알려진 비선형 효과에 해당한다.

참고: 파라메트릭 발생 및 증폭은 차주파 발생의 변형으로, 두 생성장 중 하나의 낮은 주파수가 훨씬 약하거나(파라메트릭 증폭) 완전히 없을 때(파라메트릭 발생) 발생한다. 후자의 경우, 전기장의 기본적인 양자역학적 불확정성이 과정을 시작한다.

4. 2. 위상 정합 (Phase matching)



일반적인 상황에서 전기장은 다음과 같이 표현되는 진행파이다.

:E_j(\mathbf{x},t) =E_{j,0} e^{i(\mathbf{k}_j \cdot \mathbf{x} - \omega_j t)} + \text{c.c.}

여기서 \mathbf{x}는 위치, 파수 벡터 \|\mathbf{k}_j\| = \mathbf{n}(\omega_j)\omega_j/c, c는 진공에서의 빛의 속도, \mathbf{n}(\omega_j)는 각 주파수 \omega_j에서 매질의 굴절률이다. 각 주파수 \omega_3=\omega_1+\omega_2에서 2차 편극은 다음과 같다.

:P^{(2)}(\mathbf{x}, t) \propto E_1^{n_1} E_2^{n_2} e^{i[(\mathbf{k}_1 + \mathbf{k}_2) \cdot \mathbf{x} - \omega_3 t]} + \text{c.c.}

비선형 매질 내 각 위치 \mathbf{x}에서 진동하는 2차 편극은 각 주파수 \omega_3와 해당 파수 벡터 \|\mathbf{k}_3\| = \mathbf{n}(\omega_3)\omega_3/c에서 방출된다. 보강 간섭을 통해 고강도 \omega_3 신호를 얻으려면 다음의 ''위상 정합 조건''을 만족해야 한다.

:\vec{\mathbf{k}}_3 = \vec{\mathbf{k}}_1 + \vec{\mathbf{k}}_2.

일반적으로 3파 혼합은 굴절률이 빛의 편광과 방향에 따라 달라지는 이방성 결정에서 수행된다. 위상 정합 조건은 장의 편광과 결정 방향을 조절하는 각도 조정을 통해 달성할 수 있다. 단축 결정의 경우, 특별 축(e)과 상 축(o)을 기준으로 편광을 선택하는 다양한 방법이 존재한다. (결정 광학 참조)

신호와 아이들러의 편광에 따라 제1종, 제2종 위상 정합 등으로 구분되며, 결정 축에 대한 주파수와 편광의 관계를 자세히 지정하는 다른 관례도 존재한다.

위상 정합 유형(\lambda_p \leq \lambda_s \leq \lambda_i)
편광방식
펌프신호아이들러
eoo제1종
eoe제2종 (또는 IIA)
eeo제3종 (또는 IIB)
eee제4종
ooo제5종 (또는 제0종,[15] 또는 "제로")
ooe제6종 (또는 IIB 또는 IIIA)
oeo제7종 (또는 IIA 또는 IIIB)
oee제8종 (또는 I)



음의 단축 결정에서는 제1종 및 제2종 위상 정합이, 양의 단축 결정에서는 제7종과 제8종이 주로 사용된다. 제2종과 제3종은 신호와 아이들러의 파장 관계에 따라 이름이 바뀌기도 하여 IIA, IIB로도 불린다.

각도 조정은 광 주파수가 서로 공선형으로 전파되지 않는 빔 워크오프 현상을 유발하여 변환 효율을 제한할 수 있다. 이를 방지하기 위해 모든 주파수가 결정의 광축에 대해 90°로 전파되도록 하는 온도 조정과 준위상 정합 방법이 사용된다.

온도 조정은 펌프 주파수 편광이 신호 및 아이들러 주파수 편광에 수직일 때 사용되며, 니오브산 리튬과 같이 이방성이 온도에 따라 크게 달라지는 결정에서 온도를 조절하여 위상 정합 조건을 맞춘다.

준위상 정합은 결정 축을 규칙적인 간격(Λ)으로 뒤집어 펌프 빔과 위상을 맞추는 방법이다. 주기적으로 폴링된 결정을 사용하여 펌프에서 신호 및 아이들러 주파수로 순 양의 에너지 흐름을 가능하게 한다. 결정 자체가 추가적인 파수 벡터 ''k'' = 2π/Λ를 제공하여 위상 정합 조건을 만족시킨다.

5. 고차 주파수 혼합 (Higher-order frequency mixing)

\chi^{(3)} 과정은 대칭 제약 없이 모든 매질에서 발생할 수 있다. 특히 기체에서 공명적으로 향상된 합 또는 차 주파수 혼합은 극한 자외선 또는 진공 자외선 생성에 자주 사용된다.[16] 일반적인 경우(예: 희박 기체에서의 혼합) 비선형성이 약하기 때문에 광선은 집속된다. 이는 각 광선에 π 위상 변화를 도입하여 위상 정합 요구 사항을 복잡하게 만든다.[16] 그러나 \chi^{(3)}를 사용한 차 주파수 혼합은 이러한 초점 위상 변화를 상쇄하고 종종 거의 자체 상쇄되는 전반적인 위상 정합 조건을 가지므로, 합 주파수 생성에 비해 광범위한 파장 조정이 비교적 간단하다.[16] \chi^{(3)}에서는 두 개의 \chi^{(2)} 과정을 통한 순차적 혼합과 달리 네 개의 주파수가 동시에 혼합된다.

커 효과는 \chi^{(3)}로 설명될 수 있다. 높은 피크 출력에서 커 효과는 공기 중에서 빛의 필라멘테이션을 일으킬 수 있는데, 이때 빛은 자체 생성된 도파관에서 분산이나 발산 없이 전파된다.[17]

고차 고조파 생성(HHG)은 강력한 레이저 펄스와 귀금속 기체 원자의 상호작용으로 발생한다. 원자가 쿨롱 장과 비교할 수 있는 강한 전기장을 가진 레이저 펄스에 의해 충돌하면, 가장 바깥쪽 전자가 원자에서 이온화될 수 있다. 자유로워진 전자는 빛의 전기장에 의해 가속되어 처음에는 이온에서 멀어졌다가, 장의 방향이 바뀌면 다시 이온으로 돌아온다. 전자는 이온과 재결합하여 광자 형태로 에너지를 방출하는데, 이때 방출되는 빛은 충분히 강한 레이저 빛장의 모든 피크에서 방출되어 일련의 아토초 빛 플래시를 생성한다. 이 과정에서 생성된 광자 에너지는 800번째 고조파 차수를 넘어 수 keV까지 확장될 수 있다. 레이저는 전자가 모 이온 근처로 돌아가도록 선형 편광되어야 하며, 고차 고조파 생성은 귀금속 기체 제트, 셀 및 기체 충전 모세관 도파관에서 관찰되었다.

6. 응용 (Example uses)

비선형 광학은 다양한 분야에 응용된다.


  • 주파수 배가 (Frequency doubling): Nd:YAG 레이저나 Ti:사파이어 레이저와 같은 레이저의 출력을 가시광선 영역으로 변환하는 데 사용된다. 예를 들어, 1064 nm 파장의 Nd:YAG 레이저 출력을 532 nm (녹색) 파장의 가시광선으로 변환할 수 있다.[18] 실제로 주파수 배가는 β-바륨 보레이트(BBO), 인산이수소칼륨(KDP), 티타닐인산칼륨(KTP), 니오브산리튬과 같은 비선형 결정을 레이저 빔에 통과시켜 구현한다. 이러한 결정들은 강한 복굴절 특성을 가지며, 특정 결정 대칭을 가지고, 높은 손상 임계값을 가져 고강도 레이저 광에 대한 내성이 우수하다.[18]

  • 광학적 위상 공액 (Optical phase conjugation): 빛의 빔의 전파 방향과 위상 변화를 정확하게 반전시키는 기술이다. 이를 통해 ''공액'' 빔을 생성하며, ''시간 반전'' 또는 ''파면 반전''이라고도 한다.[19][20] 실시간 홀로그래피 등에 사용된다. 위상 공액 효과를 생성하는 장치를 위상 공액 거울(PCM)이라고 한다.

  • 고조파 발생: 특정 주파수의 입사광에 의해 물질에서 정수배의 주파수를 갖는 빛이 방출되는 현상이다. 두 배 및 세 배 주파수를 갖는 빛을 방출하는 과정이 중요하다. 레이저 광의 단파장 영역으로 파장을 변환하는데 응용된다.

  • 광 혼합: 위상 정합 조건 하에서, 서로 다른 여러 주파수의 입사광에 의해, 그들과는 다른 결합 주파수의 빛이 물질에서 발생하는 현상이다. 합주파 발생과 차주파 발생이라고도 한다. 다양한 주파수로 빛을 변환할 수 있게 해준다.

  • 광 파라메트릭 효과: 방출되는 두 빛의 주파수의 합이 입사광의 주파수와 같은 현상이다. 광 파라메트릭 증폭기, 광 파라메트릭 발진기등이 이에 해당한다.

  • 다광자 전이: 여러 개의 광자를 동시에 흡수하거나 방출하여, 광자 에너지의 합 또는 차에 해당하는 고유 상태로 전이하는 현상이다. 고감도, 고분해능 분광법 및 동위원소 분리 등에 이용된다.

  • 비선형 굴절률 변화: 입사광 강도가 강하기 때문에 매질 내에 굴절률 분포를 만드는 현상이다. 자기 집속, 자기 위상 변조, 광 이중 안정성 등의 현상이 있다.

  • 전기장 의존 굴절률 변화: 매질의 굴절률이 매질에 걸린 전기에 따라 변화하는 현상으로, 전기 광학 효과라고도 한다. 포켈스 효과, 커 효과가 알려져 있다. 초점 가변 렌즈 등에 이용된다.


비선형 광학 효과는 기체, 액체, 고체, 플라스마, 생체, 입자빔 등 다양한 물질에서 나타난다.

6. 1. 분자 비선형 광학 (Molecular nonlinear optics)

초기 비선형 광학 및 재료 연구는 무기 고체에 초점을 맞추었다. 비선형 광학의 발전과 함께 분자 광학적 특성이 연구되어 분자 비선형 광학이 형성되었다.[34] 과거에 비선형성을 향상시키는 데 사용되었던 전통적인 방법에는 발색단 π-계를 확장하고, 결합 길이 변화를 조정하고, 분자내 전하 이동을 유도하고, 2D에서 공액을 확장하고, 다극 전하 분포를 설계하는 것이 포함된다. 최근에는 꼬인 발색단, 풍부한 상태 밀도와 결합 변화의 결합, 2차 비선형성의 미세 계단식 등 비선형성 및 빛 조작 향상을 위한 많은 새로운 방향이 제안되었다. 뛰어난 장점으로 인해 분자 비선형 광학은 생체 이미징,[35][36] 광 치료,[37] 생체 감지[38] 등 생체 광자학 분야에서 널리 사용되어 왔다.

'''거시적 특성과 미시적 특성의 연결'''

분자 비선형 광학은 벌크 물질의 광학적 특성을 미시적 분자 특성과 관련짓는다. 편극률이 테일러 급수 전개로 설명될 수 있는 것처럼, 유도된 쌍극자 모멘트를 전기장의 거듭제곱으로 전개할 수 있다. \boldsymbol{\mu}=\boldsymbol{\mu_0}+\alpha\cdot\boldsymbol{\Epsilon}+\frac{1}{2}\beta:\boldsymbol{\Epsilon}\boldsymbol{\Epsilon} 여기서 μ는 편극률, α는 1차 초편극률, β는 2차 초편극률 등이다.[39]

'''새로운 비선형 매질'''

특정 분자 재료는 미시적 및 벌크 수준에서 광학적 비선형성을 최적화할 수 있다. π 결합에서 전자의 비편재화로 인해 전자는 인가된 광학장에 더 쉽게 반응하고 단일(σ) 결합보다 더 큰 선형 및 비선형 광학적 반응을 생성하는 경향이 있다. 이러한 시스템에서 선형 응답은 공액 π 시스템의 길이에 비례하여 증가하지만, 비선형 응답은 더욱 빠르게 증가한다.[40]

비선형 생체 이미징에 사용되는 녹색 형광 단백질(GFP) 발색단 p-하이드록시벤질리덴이미다졸리논(HBDI)은 π-공액 공여체-수용체(D-π-A) 발색단의 예이다.


분자 비선형 광학의 많은 응용 분야 중 하나는 비선형 생체 이미징에서의 사용이다. 다광자 발색단과 같은 이러한 비선형 재료는 이광자 분광법에 생체 표지자로 사용되며, 여기서 시료를 통과하는 입사광 강도의 감쇠는 {-dI \over dx}= {N\delta I^2 \over \hbar\omega} 로 표현된다.[39] 여기서 N은 단위 부피당 입자 수, I는 빛의 강도, δ는 이광자 흡수 단면적이다. 결과 신호는 기저 상태와 최종 상태의 쌍극자 모멘트 차이에 비례하는 단면을 갖는 로렌츠 선형을 채택한다.

강한 공여체-수용체 특성을 가진 유사한 고도로 공액된 발색단은 쌍극자 모멘트의 큰 차이로 인해 사용되며, 비선형 광학적 특성을 향상시키기 위해 π-공액 시스템을 확장하려는 노력이 이루어지고 있다.[34]

7. 일반적인 제2차 고조파 발생 (SHG) 물질 (Common second-harmonic-generating (SHG) materials)

펌프 파장에 따라 다양한 결정들이 사용된다.

펌프 파장결정
800 nmBBO
806 nm아이오드산 리튬(LiIO3)
860 nm니오브산 칼륨(KNbO3)
980 nmKNbO3
1064 nm인산 일수소칼륨(KDP), 트리보레이트 리튬(LBO), β-바륨 보레이트(BBO)
1300 nm셀렌화 갈륨(GaSe)
1319 nmKNbO3, BBO, KDP, 티타닐 인산 칼륨(KTP), 니오브산 리튬(LiNbO3), LiIO3, 인산이수소암모늄(ADP)
1550 nm티타닐 인산 칼륨(KTP), 니오브산 리튬(LiNbO3)



참조

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