Física (plan 2002) 2023-1

Optativas, Temas Selectos de Óptica I

Temas selectos de óptica I: Óptica no lineal

Profesor

Jaime Castillo Torres

Ayudante

Rocío Yvonne Martínez Quiroz

Objetivos

Adquirir los conceptos básicos del área de la óptica no lineal. Comprender los procesos ópticos no lineales de segundo y tercer orden bajo la perspectiva de la física clásica. Conocer las aplicaciones tecnológicas actuales de los efectos ópticos no lineales.

Horario

Sábados 8:00 am - 11:00 am

Salón aún por confirmar

Contacto

Los interesados pueden enviar un correo a

jaimec@ciencias.unam.mx

Metodología del curso

Tendremos una sesión a la semana de tres horas. En la primera parte se abordará las cuestiones teóricas. En la parte complementaria se apoyará en resolver ejercicios, observar presentaciones de experimentos, discutir aplicaciones tecnológicas, proporcionar material de apoyo, etc.

Pre-requisitos

Herramientas básicas de electromagnetismo

Evaluación

Tareas (80%) y trabajos (20%)

Video informativo del curso

https://youtu.be/2gzttHV4M_g

Resumen del tema

La primera observación de un fenómeno óptico no lineal tuvo lugar en el año de 1875, cuando John Kerr demostró que el índice de refracción de algunos líquidos y sólidos cambia con la aplicación de un campo eléctrico DC intenso. La observación de los fenómenos ópticos no lineales es posible si los campos eléctricos que se utilizan para perturbar el medio son del orden de los campos eléctricos que mantienen a los electrones ligados a los átomos o moléculas. La disponibilidad de campos eléctricos intensos fue posible hasta 1960 con la invención del láser. Un año después, en 1961, Peter A. Franken y colaboradores de la Universidad de Michigan reportaron la primera observación de un efecto óptico no lineal en la era del láser. En su experimento, ellos enfocaron pulsos de luz de un láser de rubí sobre un cristal de cuarzo. Franken y colaboradores detectaron luz transmitida con valores de longitud de onda de la mitad del valor de la longitud de onda incidente. En otras palabras, ellos observaron la generación de segundo armónico (GSA), luz al doble de la frecuencia de la luz incidente. La observación de GSA se ha considerado como el inicio del desarrollo de la óptica no lineal. La invención del láser fue el hecho que marcó la pauta y, desde entonces, una gran cantidad de estudios en diversos materiales y áreas, así como sus aplicaciones, se han venido desarrollando espectacularmente. En este curso se proporcionará los principios, las técnicas y las aplicaciones del área de la óptica no lineal.

Temario

Unidad 1. La importancia de la óptica no lineal

• Significado físico de la óptica no lineal
• Respuesta no lineal de un medio al campo óptico
• Efectos y materiales ópticos no lineales típicos
• Aplicaciones representativas de la óptica no lineal
• Sistemas de unidades en la óptica no lineal

Unidad 2. Polarización eléctrica de medios no lineales

• Ecuación de onda en medios no lineales
• Ecuación de onda en el dominio del tiempo en medios no lineales isótropos y anisótropos
• Polarización y susceptibilidad eléctrica de medios no lineales
• Simetría en el tensor de susceptibilidad eléctrica
• Óptica de cristales no lineales

Unidad 3. Procesos ópticos de segundo orden

• Generación de segundo armónico
• Suma de frecuencias ópticas
• Diferencia de frecuencias ópticas
• Rectificación óptica
• Amplificación paramétrica
• Oscilador paramétrico óptico

Unidad 4. Procesos ópticos de tercer orden

• Generación de tercer armónico
• Mezcla de cuatro ondas ópticas
• Conjugación de fase óptica
• Corrección de aberración por conjugación de fase
• Propiedades de polarización en conjugación de fase óptica
• Aplicaciones de la conjugación de fase óptica

Unidad 5. Efecto Kerr y autoenfocamiento de luz

• Efecto Kerr óptico
• Birrefringencia inducida por efecto Kerr óptico
• Autoenfocamiento de un haz de luz
• Concepto de solitones ópticos
• Medición de parámetros ópticos no lineales con método de Z-scan

Unidad 6. Dispersión no lineal estimulada

• Efecto Raman espontáneo
• Dispersión Raman estimulada
• Acoplamiento Stokes y anti-Stokes en dispersión Raman estimulada
• Dispersión Brillouin estimulada
• Dispersión Rayleigh estimulada

Unidad 7. Absorción óptica no lineal y refracción no lineal

• Absorción de uno y dos fotones
• Absorción saturada y absorción saturada reversible
• Refracción saturada y refracción saturada reversible
• Biestabilidad óptica y dispositivos

Unidad 8. Efecto electroóptico y efecto fotorrefractivo

• El efecto electroóptico
• Moduladores electroópticos
• El efecto fotorrefractivo
• Ecuaciones de Kukhtarev
• Acoplamiento de dos ondas en materiales fotorrefractivos
• Aplicaciones del efecto fotorrefractivo

Bibliografía básica

1. Boyd R. W. Nonlinear optics. Academic Press, third edition, United States, 2008.
2. Banerjee P. P. Nonlinear optics: theory, numerical modeling, and applications. Marcel Dekker Inc., Switzerland, 2004.
3. Butcher P. N. and Cotter D. The elements of nonlinear optics, Cambridge University Press, United Kingdom, 1990.
4. Shen Y. R. The principles of nonlinear optics, John Wiley and Sons Ltd, United States, 2003.
5. New G. Introduction to nonlinear optics, Cambridge University Press, United Kingdom, 2011.