非线非线性光学 原理与进展 钱世雄 d

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1、第１章引言一线性光学与非线性光学1.特点线性光学，即光束在空间或介质中的传播是互相独立的，光束在传播过程中，由于衍射、折射和干涉等效应，光束的传播方向会发生改变，空间分布也会有所变化，但光的频率不会在传播过程中改变；介质的主要光学参数，如折射率、吸收系数等，都与入射光的强度无关，只是入射光的频率和偏振方向的函数。当一束激光射入到介质以后，会从介质中出射另一束或几束很强的有新频率的光束。它们可以处在与入射光频率相隔很远的长波边或短波边，或是在入射光频率近旁的新的相干辐射；两个光束在传播中经过交叉区域后，其强度会互相传递，介质的

2、吸收系数已不再是恒值，它会随光束强度的增加变大或者变小。一个光束的光波相位信息在传播过程中，也会转移到其他光束上去，一个光束的相位可以与另一个光束的相位呈复共轭关系；某一定强度的入射光束在通过介质后，透射光束的强度可以具有两个或多个不同的值。2.光与物质相互作用关系当一个光电场入射到介质体系中时，由于介质体系是由大量的多种荷电粒子，如电子、原子实及离子等构成，它们在外光电场的作用下会发生位移，这就会在介质中产生感应的电极化强度。从（１.０-１）出发，配合电磁波在介质中传播的波动方程人们可以解释介质中存在的吸收、折射和色散等效应

3、。其中μ0是真空导磁率，σ为介质的电导率。一般来讲，χ(1)的实部对应介质体系的折射和色散，而χ(1)的虚部说明介质的吸收.激光器出现以前，人们也已观察到另一类现象，普克耳（Pockels）效应及克尔（Kerr）效应。自发拉曼（Raman）散射及自发布里渊（Brillouin）散射在习惯上还是将它们归之于线性光学的内容之中，因为这些信号强度与入射的激发光强度成线性关系。而高强度的激光作用到介质体系时，人们发现在大量的各种不同的材料中都会观察到与线性光学效应截然不同的现象，介质的折射率会随光电场强度的变化而变化，吸收系数也不再

4、是一个常数等等。所有这些新现象就需要非线性光学的基本原理予以解释.在传统的热辐射光源、放电光源的照射下，可得到的单色功率密度一般在１Ｗ／ｃｍ2以下，激光是具有高单色高亮度的光源，当激光射到（或聚焦于）介质中时，其所产生的单色功率密度会远远高于传统光源的相应值。在实验室条件下，聚焦至介质处的单色功率密度已很容易达到1010Ｗ／cm2以上.，光电场所感应的电极化强度与入射光电场强度的关系式中必须计及光电场强度的高幂次项，即χ(2)、χ(3)分别为二阶及三阶非线性极化率张量，它们以及高阶非线性极化率张量χ(n)是表征光与物质非线性相

5、互作用的基本参数。Ｂｌｏｅｍｂｅｒｇｅｎ给非线性光学效应的定义作了如下论述：凡物质对于外加电磁场的响应，并不是外加电磁场振幅的线性函数的光学现象，均属于非线性光学效应的范畴。从Ｂｌｏｅｍｂｅｒｇｅｎ的这个定义出发，我们可以把（１.０-３）中右边第一项有关的效应称为线性光学效应，与χ(2)∶ＥＥ有关的效应称为二阶非线性光学效应，与χ(3)ＥＥＥ有关的效应称为三阶非线性光学效应，更高阶的非线性光学效应可以此类推.超流激光场物理学啁啾脉冲放大技术得到的短脉冲只有1.5pw(1pw=1015w)高功率激光子流。聚焦强度10

6、21w/cm2(8)大大超过介质内部形成的库仑场强-超流激光场与物质相互作用§１.１非线性光学的早期１０年（１９６１—１９７０）非线性光学的一个重要发展时期是早期的１０年。1961年，Franken将红宝石激光束入射到石英片上，确证了新的ＳＨＧ效应。ＳＨＧ效应的发现极大地促进了无机晶体材料在相干辐射产生中的应用，具有重要的意义。１９６２年Woodbury在使用硝基苯材料研究调Ｑ红宝石激光器时发现，从激光器出射的谱线中，除了红宝石的激光线外，还有另一条处于红区的７６６ｎｍ谱线。而且这条出射光束具有与红宝石激光束同样的传播

7、方向和小的发散角。随之人们即分析出，这是与硝基苯的分子振动密切有关的一种新的相干辐射，即受激拉曼散射ＳＲＳ。相干辐射产生的另一个效应即是受激布里渊散射（ＳＢＳ），当激光束射入晶体材料后，利用高分辨率光学干涉仪器观察到在入射激光线的近旁存在着几条亮度很高的辐射线，频差在１ｃｍ-1以下，这是与晶体等材料中声学波相联系的ＳＢＳ效应。与ＳＨＧ效应有联系的一些效应如和频（ＳＦＧ）、差频及光学参量振荡（ＯＰＯ）也陆续地被发现。利用晶体材料的双折射效应以补偿折射率的色散，人们在许多晶体中，如ＫＤＰ，ＡＤＰ，ＬｉＮｂＯ3及ＬｉＩＯ3，实现

8、了有效的相位匹配并得到有很高转换效率的相干辐射。利用和频，可以对相干辐射频率进行蓝移，而利用差频及光学参量振荡可以将可见激光转换至红外波段。这就为人们扩展相干辐射的波段范围又提供了几种新的方法。钕玻璃棒中的非线性光学效应——自聚焦使光束在材料中被聚集，使在焦点处达到高于损伤阈