改訂新版 世界大百科事典 「光混合」の意味・わかりやすい解説
光混合 (ひかりこんごう)
optical mixing
非線形光学現象の一種。異なる周波数ν1，ν2，……をもつ複数個の光を物質にあてたとき，その非線形性によって，新しい結合周波数ν＝m1ν1＋m2ν2＋‥‥（m1，m2は正，または負の整数）をもつ光が発生する現象をいう。入射光の波長の組合せで決まる新しい波長の光の発生といってもよい。光の電場を受けた物質が示す非線形的な応答（電気分極や電流など）には，入射光の電場成分のさまざまな積が現れ，そこから上記のような結合周波数で振動する応答成分が生じ，このような光の発生が起こる。
もっとも簡単な二次の非線形効果（応答が光の電場の2乗に比例する効果）の場合には，周波数ν1，ν2の2個の入射光に対して，結合周波数νが，ν＝ν1＋ν2およびν＝ν1－ν2で表される二つの現象があり，前者を和周波混合，後者を差周波混合という。ν1＝ν2となる和周波混合の極限は光第2高調波発生である。また，周波数がきわめて近い二つの入射光ν1，ν2を用いた場合の差周波混合（ν≪ν1，ν2）を光ビートといい，とくに差周波の出力がν＝0（直流），または低周波の電気信号となる場合を光整流という。一方，二つの入射光の一つを低周波の電気信号に置き換えた場合（ν1≫ν2）の光混合は電気光学効果と呼ばれる。三次の非線形効果では，さらに複雑な結合周波数2ν1±ν2，2ν2±ν1，ν1±ν2±ν3をもつ光が生ずる。
光は波動であるから，その空間的な伝搬のようすを表す波動ベクトルも重要な量である。前記のような周波数の混合過程が起こるとき，同時に波動ベクトルにも同様の結合過程が起こる。そこで，入射光の周波数がすべて同じであっても波動ベクトルが異なれば，その結合によってさまざまの新しい方向の光が発生する。これも広い意味で光混合という。
非線形効果による波動の混合現象は，電波領域のエレクトロニクスでは以前からよく知られた現象であるが，強力なレーザーの登場によって光領域でも実現され，多彩な現象と応用を生み出すに至った。光混合のもっとも重要な応用は波長変換による二次コヒーレント光源である。現在，多種類のレーザーが開発されているが，光源として実用できる波長は限られており，レーザーだけで全波長域をカバーすることはできない。光混合によって発生する二次光は，入射光に用いるレーザー光と同じくコヒーレントな性質をもっており，その波長領域を拡大する役割を果たす。これによってレーザー光の波長間隙を埋めたり，レーザーのまだ及ばぬ極端波長域（軟X線領域）にまで進出することが可能になる。また，二次光と同じ波長域に他のレーザー光があったとしても，二次光のほうが高性能で簡便である場合も少なくない。光をあて入射させて波長変換を行うための物質（非線形光学材料）としては，二次の非線形効果を示すKDP（リン酸二水素カリウム）やニオブ酸リチウムなどの誘電体や半導体などの結晶が多く使われ，通常の光領域（紫外，可視，赤外）での混合光発生に有用である。また，固体や液体ではほとんど不透明な真空紫外や軟X線などの短波長領域では，三次の非線形効果を示す希ガスやアルカリ金属およびアルカリ土類金属などの原子気体が用いられる。光混合の他の応用として，光の検出・測定に関するものがある。赤外光を可視・紫外光に変換して微弱な入射光を高感度で検出したり，光ビート法によって光のスペクトルや周波数を精密に測定することなどがその例である。
また，光混合の起り方は，非線形光学材料のさまざまな性質に支配される。そこで，二次光の特性を詳しく調べることによって，逆にそれらの材料の物性，とくに構成原子分子のエネルギー状態やミクロな動的過程などについて新しい知識が得られる。これは光混合の分光学への応用である。
→非線形光学
執筆者：矢島 達夫
出典 株式会社平凡社「改訂新版 世界大百科事典」改訂新版 世界大百科事典について 情報