نورشناسی غیرخطی

اپتیک غیرخطی(NLO) شاخه‌ای از اپتیک است که رفتار نور درماده غیرخطی را توصیف می‌کند، که در این ماده قطبش دی‌الکتریک P به‌طور غیرخطی به میدان الکتریکی E نور پاسخ می‌دهد. معمولاً این غیرخطیت فقط در شدت‌های نور بسیار بالا (مقادیر میدان الکتریکی قابل مقایسه با میدان‌های الکتریکی درون اتمی، نوعاً ۱۰۸ ولت بر متر) مانند شدت لیزرهای پالسی مشاهده شده‌است. انتظار می‌رود که خلأ فراتر از حد شوینگر غیرخطی شود. در اپتیک غیرخطی، اصل برهم‌نهی دیگر اعتبار ندارد.
اپتیک غیرخطی تا زمان کشف تولید هارمونیک دوم کمی بعد از اختراع اولین لیزر ناشناخته ماند.

فرایندهای غیرخطی نوری

اپتیک غیر خطی گروهی از پدیده‌ها را موجب می‌شود:

فرایندهای پارامتری

اثرات غیر خطی را به دو گروه کیفی متفاوت، اثرات پارامتری و غیر پارامتری، تقسیم می‌کنند. غیرخطیت پارامتری برهم‌کنشی است که در آن حالت کوانتومی مواد غیر خطی در برهم‌کنش با میدان نوری تغییر نمی‌کند. به عنوان نتیجه‌ای از این، فرایند "آنی" است؛ بقای انرژی و تکانه در میدان نوری، ایجاد تطبیق فازی را مهم می‌کند؛ و وابسته به قطبش است.

ترکیب فرکانس‌های مراتب بالاتر

موارد بالا برای فرایندهای مرتبه دوم برقرار هستند. می‌توان این فرایندها را به جاییکه غیر صفر باشد، که در هر محیط بدون محدودیت تقارنی برقرار است،  بسط داد. تولید هماهنگ سوم یک فرایند مرتبه سوم است، هرچند در کاربردهای لیزر، از آن به عنوان فرایند دو مرحله‌ای استفاده می‌شود: ابتدا فرکانس لیزر اولیه دوبرابر می‌شود و سپس فرکانس‌های اولیه و دوبرابر شده در یک فرایند فرکانس مجموع به همدیگر اضافه می‌شوند. علاوه بر این اثر کر را نیز می‌توان به عنوان پدیدهٔ غیر خطی مرتبه سوم  معرفی نمود.
در شدت‌های بالا، که منجر به غلبه مراتب بالاتر می‌شود، سری تیلور همگرا نمی‌شود و به جای آن یک مدل زمانی استفاده می‌شود. وقتی یک پالس لیزری شدید، که قدرت میدان الکتریکی اش قابل مقایسه با میدان کولنی اتم باشد، به اتم گاز نجیب ضربه می‌زند، ممکن است الکترون‌های خارجی اتم یونیزه شوند. الکترون می‌تواند توسط میدان الکتریکی نور، ابتدا از یون دور شود، سپس با تغییر جهت میدان به طرف آن برگردد. ممکن است الکترونی که با اتم بازترکیب می‌شود، انرژی خودش را به شکل فوتون آزاد کند. نور گسیل شده در هر پیک میدان نوری لیزر، که به اندازه کافی شدید باشد، یک سری فلش نور آتوثانیه تولید می‌کند. انرژی‌های فوتون تولید شده توسط این فرایند تا مرتبه هماهنگ ۸۰۰ ام تا ev 1300 بالا رود. به این فرایند تولید هماهنگ‌های بالا گویند. لیزر باید قطبیده خطی باشد، تا اینکه الکترون به نزدیکی یون مادر بازگردد. تولید هماهنگ‌های بالا در جت‌های (سلول‌های) گاز نجیب و موجبرهای لوله مویین پر شده از گاز مشاهده شده‌است.

دو برابرسازی فرکانس

یکی از رایج‌ترین فرایندهای ترکیب فرکانسی به کار رفته دوبرابرسازی فرکانس یا تولید هماهنگ دوم است. با این تکنیک، خروجی 1064 nm از لیزرهای Nd:YAG  یا خروجی 800 nm از لیزرهای Ti:sapphire را می‌توان به ترتیب به طول موج‌های 532 nm(سبز) یا 400 nm (بنفش) نور مرئی تبدیل کرد. عملاً، دوبرابرسازی فرکانس با قرار دادن یک محیط غیر خطی در  پرتوی لیزر انجام می‌شود. در حالی که محیط‌های غیر خطی زیادی وجود دارند، کریستال‌ها رایج‌ترین محیط‌های غیر خطی هستند. رایج‌ترین کریستال‌های به کار رفته KDP(پتاسیم دی هیدروژن فسفات)،   BBO (بتا-باریم بورات)، KTP (پتاسیم تیتانیل فسفات) و لیتیم نیوبایت هستند. این کریستال‌ها خصوصیات مهمی از جمله دوشکستی قوی (برای دستیابی به تطبیق فازی)، داشتن تقارن خاص کریستال و البته شفاف بودن برای هر دو طول موج لیزر و نور دوبرابر شده فرکانسی و داشتن آستانه آسیب بالا، که آن‌ها را در مقابل نور لیزرهای شدت بالا مقاوم می‌سازد، هستند. با این وجودمواد پلیمری ارگانیک ساخته شدند تا جانشین کریستال‌ها شوند چون ساخت آن‌ها آسان تر است و ولتاژ محرک و عملکرد بهتری دارند.