非线性折射率效应.doc

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1、第五章非线性折射率效应重点内容：光学克尔效应——光致非线性折射率，，非线性折射率与光强成正比，。讨论自作用和互作用两种光克尔效应。自聚焦效应——高斯光束横向光强分布不均匀性引起光束自聚焦或自散焦。讨论稳态和动态理论，及相关的时间和空间自相位调制现象。5.1光学克尔效应光学克尔效应与克尔电光效应，两个效应基于不同机理：克尔电光效应——线偏振光通过加有静电场的透明介质（如玻璃）感生双折射，变成椭圆偏振光的现象。两垂直偏振的o光与e光的折射率的差与外加电场强度成正比，。这是线性光学效应。光学克尔效应——光电场直接引起的折射率变化的效应，其折射率变化大小与光电

2、场的平方成正比，。称为非线性极化率，相应于三阶折射率实部的变化，是三阶非线性光学效应。被称作光学克尔效应，或简称为克尔效应。具有克尔效应的介质称为克尔介质。演示光克尔效应，需要两种光：泵浦光——产生非线性极化率的强光；信号光——探测非线性极化率的弱光。产生非线性极化率的方式不同，有两种光克尔效应：自作用光克尔效应：用信号光本身的光强泵浦，引起相应于信号光频率的介质折射率变化，同时由信号光直接探测。交叉（互）作用光克尔效应：用频率（）不同（或偏振方向不同）的强泵浦光，引起相应于信号光频率的介质折射率变化，同时用频率为的信号光探测。两种光克尔效应：(a)自

3、作用克尔效应；(b)互作用克尔效应设信号光频率为，泵浦光频率自作用和互作用克尔效应的非线性极化强度分别表示为：(5.1.1)(5.1.2)在光波传输过程中，介质折射率变化会引起光的相位变化。一个沿方向传播的单色波，传至处，引起介质折射率变化，光波的相位变化为(5.1.3)表明光致折射率变化调制了相位；对自作用光克尔效应和交叉作用光克尔效应，相应地存在着自相位调制（SPM）和交叉相位调制(XPM)。5.1.1自作用光克尔效应以下推导频率为的光的自作用光克尔效应折射率与光场的关系。仅考虑一阶和三阶效应：一阶极化率三阶极化率极化率皆取实部，则总极化强度为(5

4、.1.4)根据和，得将式(5.1.4)代入，定义有效三阶极化率，两边消去得(5.1.5)是总介电系数，为实数。利用关系和得将它代入(5.1.5)式，得到(5.1.6)总折射率为(5.1.7)前项为线性折射率，后项为非线性折射率：(5.1.8)可见非线性折射率与场振幅平方成正比，比例系数称为非线性折射系数：，(5.1.9)它与有效三阶非线性极化率实部成正比。式(5.1.8)变成。(5.1.10)利用，则(5.2.11)可见非线性折射率与光强成正比，比例系数称为非线性折射系数：,(5.1.12)它与三阶极化率的实部成正比。总之，(5.1.13)光克尔效应引

5、起的光致折射率变化的物理机制很多;不同的非线性机制有不同的响应时间，因此产生光克尔效应需要用不同脉宽的脉冲光或者连续光来激励。表5.1.1列出了几种光克尔效应的物理机制、非线性折射系数、响应时间和所需激励光脉宽。表5.1.1几种光克尔效应的物理机制与参数机制非线性折射系数(esu)响应时间激励光脉宽电子云畸变10-1310-1410-13ps分子空间再分布10-1210-1310-13ps极性分子取向变化10-1110-1210-1110-12ns电致伸缩10-1010-1110-810-9ms热致折射率变化10-410-510.1连续可见，克尔介质的

6、非线性折射系数越大，介质的响应速度越慢。5.1.2交叉作用光克尔效应考虑一种特殊情况的互作用光克尔效应。频率为的单色信号光与频率为的单色泵浦光同沿方向传播，但是两者的偏振方向不同：泵浦光沿方向偏振；信号光沿平面内的某任意方向偏振，如图5.1.2所示。图5.1.2信号光与泵浦光的传播方向与偏振方向泵浦光引起介质折射率（极化率实部)发生变化，从而分别由信号光电场的和分量产生的非线性极化强度的和分量为(5.1.14)(5.1.15)把(5.1.15)代入方向的耦合波方程，得到(5.1.16)若认为泵浦光不随变，就可解得方向的信号光场强(5.1.17)上式指数

7、因子中的方括弧内的量正是信号光在方向的非线性折射率，记为，(5.1.18)同理，信号光在方向的非线性折射率算得为(5.1.19)可见折射率变化与泵浦光的场强平方成正比。这种光致双折射效应（互作用光克尔效应）的强弱可用克尔系数来度量，克尔系数定义为(5.1.20)将(5.1.18)和(5.1.19)代入(5.1.20)，得到克尔系数与三阶极化率的关系(5.1.21)光克尔效应提供了一种改变介质的折射率和光的相位的方法，在外加泵光电场的作用下，它可使各向同性的非线性介质变成各向异性的单轴晶体。当线偏光通过长度为的介质时，o光和e光之间有一个相位差为(5.1

8、.22)可见o光和e光间的相位差与泵浦光场强的平方（或泵浦光的功率）成正比。当泵浦光功率使时，