《非线性光学a》PPT课件

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1、非线性光学全薇第一章非线性光学效应概述2.由于激光器的工作原理与普通光源的发光机理不同，所以能从根本上突破以往各种普通光源的种种局限性，赋予古老的光学以新的强大生命力，从而引起各种光学应用技术的革命性进展，并极大地促进了各种基础学科的发展。1、激光技术从1960年诞生到现在，已经历了近半个世纪的发展时间。它的出现，标志着人类对光频相干电磁辐射的产生手段、控制能力及其与物质相互作用规律的认识，均达到了一个新的阶段。3.在物理学领域内，出现了一门崭新的学科——非线性光学的出现与发展。§1.1非线性光学

2、的学科定义和发展一、非线性光学的学科定义1、线性光学：普通光场与物质相互作用，物质与光场呈线性效应关系（1）光与物质相互作用的基本理论普通光入射到介质中时，电极化强度矢量与光场成简单的线性关系：单一频率的光入射到非线性介质中，其频率不发生任何变化，不同频率的光同时入射时，彼此不发生耦合作用，也不会产生任何新的频率，麦氏方程组是线性微分方程组，只含的一次方项。（2）光与物质相互作用的基本规律折射、散射、吸收等与光场呈线性关系（3）光与物质相互作用的现象2、非线性光学：强光场与物质相互作用，物质与光场

3、呈非线性效应关系（1）强光与物质相互作用的基本理论强光入射到介质中时，电极化强度矢量与光场之间不再成简单的线性关系，而是成更一般的幂级数关系：单一频率的强光入射到特定介质中，可产生倍频辐射，不同频率的光同时入射时，可通过介质彼此发生耦合作用，并在新频率处产生混频辐射，麦氏方程组是非线性微分方程组，包含的高次方项。（2）强光与物质相互作用的基本规律二次、三次谐波；光参量放大与振荡。自聚焦。受激散射，饱和吸收。（3）光与物质相互作用的现象3、非线性光学学科定义在强光场与物质相互作用时，出现了非线性电极

4、化效应和它引起的一些新的光学现象和光学效应。如，倍频、和频、差频、光放大，受激散射、多光子吸收、自聚焦、光学双稳态等，这些统称为非线性光学效应，研究这些效应的学科称为非线性光学。二、非线性光学的发展1、1961年，弗兰肯（Franken）等人，将红宝石激光器发出的约为3kW的694.3nm光脉冲聚焦到石英晶体上，观察到了红宝石激光的347.1nm二次谐波辐射。2、同年凯泽（Kaiser）和加勒特（Garrett）观察到激光辐射的双光子吸收，这是一种三阶非线性光学效应。3、1962年，布卢姆伯根等人

5、对光学混频进行了开创性的理论工作。自此以后，许多实验验证可非线性效应能引起不同频率的光场之间能量的交换，而呈现多种新的光学现象和新的光学效应。二十世纪六十年代主要进行了二次谐波产生、和频、差频、双光子吸收、受激喇曼散射、受激布里渊散射、光参量振荡、自聚焦、光子回波、自感应透明等非线性光学现象的观察和研究；非线性光学的发展经历了三个阶段二十世纪七十年代人们更深入地研究了上述现象，并进行了自旋反转受激喇曼散射、光学悬浮、消多普勒加宽、双光子吸收光谱技术、相干反斯托克斯喇曼光谱学、非线性光学相位共轭技术

6、、光学双稳效应等非线性光学现象的研究；二十世纪八十年代，倍受人们注意的非线性光学新研究课题是光学分叉和混沌、光的压缩态、多光子原子电离现象等。目前非线性光学逐渐由基础研究阶段进入应用基础研究和应用研究阶段。§1.2强激光与物质相互作用的主要特性1、激光的特点激光是受激辐射，普通光源是自发辐射，这是它们的本质区别，因而激光具有普通光源所没有的特点：（1）高的定向性（发散角小）（2）高的单色性（高相干性）（3）高亮度（高的光子简并度）2、强激光与物质相互作用的主要特性具有能动性、有效性；具有共振性和共

7、振选择性；高光谱分辨率；高时间分辨率；高的空间分辨率第二章非线性电极化效应理论基础本章的主要内容1、强光作用下，产生非线性电极化效应的基本图像2、描述不同频率强光波在介质内相互作用的基本方程：耦合波方程§2.1光学介质的非线性电极化效应1、电极化强度矢量P当介质受到电场作用时，组成介质的原子或分子、离子内的束缚电子与电子荷之间的距离（相对平衡位置）发生了变化，产生感应电偶极矩，介质单位体积内的感应电偶极矩之和介质的电极化强度矢量P。一、线性极化2、线性极化在弱光场作用下，介质的电极化强度矢量P与外

8、界电场强度E成简单线性关系：（2.1-1）式中，称为介质的电极化系数，线性电极化率。真空介电系数。P以与入射光E相同的频率随时间变化，从而根据劳伦兹理论，辐射出频率为的次电磁波，单色光入射时频率不会发生变化。（1）当一束单色简谐光波入射到介质中时单色简谐波：介质内的电极化强度矢量：劳伦兹理论：电耦极矩产生加速度，向外辐射次波。由麦氏方程变化的电场周围产生变化的磁场，使得向外辐射电磁波。（2）几种不同频率的光同时入射到介质中时，彼此间不发生耦合作用，也不会产生新的频率，并满足叠加原理