Sóng ánh sáng phát ra từ các nguồn sáng thông thường không ảnh hưởng rõ rệt đến các tính chất quang học của môi trường trong đó ánh sáng lan truyền. Đó là vì cường độ điện trường của sóng ánh sáng này không đáng kể (~103V/cm) so với cường độ điện trường của nội môi trường. Điện trường nội là điện trường vi mô tác dụng lên các electron các nguyên tử, có gía trị khỏang 109 V/cm, trong chất bán dẫn bằng 107V/cm.
Các tính chất quang của môi trường như: chiết suất, hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ, độ phân cực, v.v…không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng trong trường hợp dùng nguồn sáng thông thường. Quang học trước khi laser ra đời gọi là quang học tuyến tính.
Sự xuất hiện của laser quang học đã biến đổi căn bản. Sóng ánh sáng do laser phát ra có cường độ điện trường đạt tới 106 – 108 V/cm và như vậy tính chất quang học của môi trường phụ thuộc vào cường độ của trường, tức phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng, vì vậy môi trường có tính chất phi tuyến.
8.4.1. Sự phân cực phi tuyến của môi trường.
Tính chất phi tuyến của sự phân cực trong môi trường là nguyên nhân của nhiều hiệu ứng quang học phi tuyến.
Khi dùng bức xạ của nguồn sáng thường, độ phân cực điện của chất phụ thuộc tuyến tính vào cường độ điện trường ngòai:
E
Pe
(8.6) Gọi độ phân cực của một hạt (nguyên tử, phân tử) là thì:
E N Pe , N số hạt trong một đơn vị thể tích, do đó:
N : Hệ số phân cực của môi trường.
Ngoài ra, hằng số điện môi , chiết suất n cũng là những đặc trưng quang học của môi trường, chúng có mối quan hệ:
n
14 (8.7) các hệ thức (8.6) và (8.7) đặc trưng cho quang học phi tuyến.
Khi dùng bức xạ laser có công suất lớn, hệ số phân cực sẽ không còn là một đại lượng không đổi mà là một hàm số của vectơ cường độ điện trường E của ánh sáng laser: (E)01E2E2... (8.8)
,...
, 2
1
gọi là hệ số phân cực phi tuyến. Thay (8.8) vào (8.6), ta có: 3 2 2 1 0E E E P (8.9) hay: P = PTT + PPT trong đó: PTT 0E, còn PTT là số thành phần còn lại biểu
diễn độ phân cực phi tuyến.
Nếu độ phân cực của môi trường được biểu diễn bởi hệ thức phi tuyến thì môi trường đươc gọi là môi trường phi tuyến. Bất kỳ môi trường nào khi có bức xạ quang học công suất lớn truyền qua cũng có thể trở thành môi trường phi tuyến. Tính chất phi tuyến của môi trường được biểu hiện ở chổ tính chất của nó phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng truyền qua môi trường.
8.4.2. Sự tự hội tụ.
Điện trường mạnh của bức xạ laser ảnh hưởng đến hằng số điện môi, do đó ảnh hưởng đến chiết suất của môi trường. Trong môi trường phi tuyến chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bình phương cường độ điện trường của sóng tới.
2
0
1 E n
n TT (8.10) Trong đó nTT là chiết suất của môi trường tuyến tính, còn 2
0
E
nTT là số bổ chính phi tuyến của chiết suất. Điều đó sẽ dẫn tới sự tự hội tụ của ánh sáng.
Cường độ của một chùm tia sáng thực bất kỳ phân bố không đều trên tiết diện ngang của chùm. Thường thì cường độ có giá trị cực đại ở gần trục của chùm tia và giảm dần khi ra xa trục. Do đó chiết suất của môi trường cũng sẽ giảm dần từ trục chùm tia ra hai bên, điều đó có nghĩa là vận tốc truyền ánh sáng tăng dần khi càng xa trục: tia sáng càng xa trục có vận tốc càng lớn. Vì vậy, nếu lúc vào môi trường mặt sóng là mặt phẳng thì trong quá trình lan truyền trong môi trường nó trở thành mặt cong.
Hình 8.16. Chùm sáng tự hội tụ.
Như vậy khi chùm tia sáng mạnh truyền trong môi trường nó sẽ tự hội tụ và môi trường khi đó tác dụng giống như một thấu kính hội tụ.
Rõ ràng khi nghiên cứu hiện tượng tự hội tụ ánh sáng cho ta một phương pháp truyền năng lượng. Hiện tượng tự hội tụ ánh sáng sẽ tạo nên một nhiệt độ rất cao có thể đủ dùng để gây ra phản ứng nhiệt hạt nhân có điều khiển.
8.4.3. Sự hấp thụ nhiều photon. E1 h h E2 Hình 8.17
Khi rọi bằng một chùm ánh sáng có công suất lớn, trong mỗi động tác tương tác có thể xãy ra hai hay nhiều photon cùng bị chất đó hấp thụ:
1
2 E
E
Nh (8.11) Trong trường hợp này chất có thể hấp thụ ánh sáng có tần số 0 mà cả ánh sáng có tần số 0/2 ; 0 /3; 0 /4; …Sự hấp thụ ánh sáng có tần số 0/2 (0 tần số riêng của hệ) gọi là sự hấp thụ hai photon. Sự hấp thụ ánh sáng có tần số 0/3 gọi là sự hấp thụ ba photon.
Hiện tượng hấp thụ nhiều photon được dùng để nghiên cứu những khía cạnh mới quan trọng trong sự tương tác của ánh sáng với vật chất.