La óptica no lineal (ONL) es una rama de la óptica. La ONL describe el comportamiento de las interacciones material-luz donde no se puede aplicar el principio de superposición. Por lo general, se describe mediante una respuesta de polarización P ante un campo electromagnético E. Para poder observar el efecto no lineal (NL) se requieren campos muy intensos (comparables a los campos eléctricos intera-atómicos, de alrededor 108 V/m) como los que se obtienen por fuentes láser.
Por ello, las primeras observaciones de fenómenos de ONL coinciden con la construcción del primer láser. Por ejemplo, Peter Franken y sus colaboradores de la Universidad de Míchigan informaron por primera vez el fenómeno NL de generación del segundo armónico óptico en 1961. Observaron la obtención de un haz verde procedente de una muestra de cuarzo que era irradiada con luz infrarroja emanada por un láser de rubí.
La respuesta óptica no lineal es bien conocida en dispositivos electrónicos fabricados con semiconductores. Basta imaginarse un resorte. En cierto intervalo de su elongación, este responde linealmente al efecto de una fuerza, siguiendo la conocida ley de Hooke. El muelle ejerce otra fuerza de sentido contrario a la que provoca esa elongación. Si esa fuerza desaparece, el muelle vuelve a su tamaño original. Sin embargo, llega el momento en el que la fuerza es tan grande, que el muelle se deforma permanentemente o incluso se rompe. En ese momento, el muelle deja de comportarse linealmente.
Cuando una señal sinusoidal es transferida de una entrada a una salida de un elemento no lineal, esta señal deja de ser sinusoidal y se convierte en una función compuesta.
Los elementos ópticos transparentes normalmente se comportan como transmisores lineales. Así, cuando una luz monocromática de baja intensidad los atraviesa, los transmite proporcionalmente a su intensidad. Sin embargo, cuando la intensidad de la luz es muy grande (e.g. cuando se emplea un láser), el material empieza a exhibir efectos ópticos no lineales.
La generación de armónicos ópticos es deseable muchas veces. Algunos materiales como el KDP, el ADP, el LiNbO3, el KTP, exhiben el efecto no lineal con relativo bajo nivel de irradiación. Los cristales de KDP más grandes del mundo se emplean actualmente en el LLNL en el proyecto de fusión por confinamiento inercial, mediante láser. En este proyecto, se emplea un sistema MOPA (Master oscillator power amplifier) de láser Nd-YAG y ND:vidrio trabajando en su línea fundamental de 1,06 micras. En el final de esa cadena hay varios cristales de KDP de unos 45 cm de diámetro que transforman ese haz infrarrojo en un haz verde de 532 nm.
Por supuestos la generación de armónicos no es exclusiva de los materiales inorgánicos. Compuestos orgánicos con estructura de azobenceno también pueden presentar la generación de armónicos . Sin embargo, estos materiales suelen presentar problemas de estabilidad térmica, por lo que los efectos ópticos no lineales se pierden con el tiempo.
Entre la gran variedad de fenómenos ópticos no lineales, por su relevancia, podemos mencionar los siguientes:
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