Hiperpolaryzowalność

Hiperpolaryzowalność – wielkość fizyczna z dziedziny optyki opisująca zdolność cząsteczki dielektryka do nieliniowego odkształcania się pod wpływem silnego zewnętrznego pola elektrycznego promieniowania i tworzenia w ten sposób dipoli elektrycznych, co makroskopowo prowadzi do polaryzacji dielektryka.

W substancji izotropowej hiperpolaryzowalność jest podatnością elektryczną drugiego rzędu na jednostkę objętości. Hiperpolaryzowalnością nazywamy wielkość ${\displaystyle \beta }$ we wzorze^[1]:

${\displaystyle \mu =\alpha \cdot E+{\frac {1}{2}}\beta \cdot E^{2}+\ldots }$

gdzie:

${\displaystyle \alpha }$ – polaryzowalność substancji,

${\displaystyle \mu }$ – elektryczny moment dipolowy cząsteczki lub atomu substancji,

${\displaystyle E}$ – natężenie zewnętrznego pola elektrycznego promieniowania padającego na substancję.

Gdy w równaniu pojawią się wyrazy z wyższymi potęgami ${\displaystyle E,}$ wówczas współczynniki w nich występujące nazywamy hiperpolaryzowalnością drugiego, trzeciego (itd.) rzędu.

Hiperpolaryzacja leży u podstaw działania podwajaczy częstotliwości (zwanych też generatorami drugiej harmonicznej) w technice laserowej. Podwajanie albo potrajanie częstotliwości zachodzi np. gdy laser Laser neodymowy Nd:YAG (który normalnie emituje promieniowanie o długości fali 1064 nm) produkuje odpowiednio zielone światło 532nm albo ultrafioletowe 355nm. Inne powszechne materiały, które mogą być użyte jako podwajacze częstotliwości to: diwodorofosforan potasu (KH
2PO
4), niobian litu (LiNbO
3) i β-boran baru (Ba(BO
2)
2).

W świetle o niskim natężeniu większość substancji odpowiada liniowo. Natomiast przy świetle o wysokim natężeniu niektóre substancje odpowiadają nieliniowo i składnik ${\displaystyle {\frac {1}{2}}\beta \cdot E^{2}}$ przestaje być pomijalny. Jeśli założymy, że padające światło o częstości ${\displaystyle \omega =2\pi \nu }$ ma pole elektryczne równe ${\displaystyle E_{0}\cos(\omega t),}$ to wtedy nieliniowy współczynnik ${\displaystyle \beta \cdot E^{2}}$ może zostać zapisany następująco^[1]:

${\displaystyle \beta \cdot E^{2}=\beta \cdot E_{0}^{2}\cos ^{2}(\omega t)={\frac {1}{2}}\beta E_{0}^{2}(1+\cos(2\omega t))}$

Ponieważ nieliniowa polaryzowalność powoduje oscylacje o częstości ${\displaystyle 2\omega ,}$ może ona stanowić źródło promieniowania o częstości ${\displaystyle 2\omega .}$

• generacja drugiej harmonicznej

• The Nonlinear Optics Web Site (ang.)