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1、35物理与工程Vol.14No.22004非线性光学效应及其应用12张粉英张勇1(扬州教育学院物理系,江苏扬州225007)2(东南大学物理系,江苏南京210096)(收稿日期:2003209221)摘要以介质的非线性电极化理论为基础讨论几种典型非线性光学效应及其应用,并采用量子力学的概念给出非线性光学效应的物理图像.关键词非线性光学;电极化;光倍频;光学共轭NONLINEAROPTICALEFFECTANDITSAPPLICATION12ZhangFenyingZhangYong(1DepartmentofPhysics,YangzhouCollegeofEducation,Yang
2、zhou225007)(2DepartmentofPhysicsSoutheastUniversity,Nanjing210096)AbstractInthispaper,wedisscussedsometypicalexamplesaboutnonlinearopticaleffectbasedonthenonlinearpolarizationtheoryofmedium,introduceditsapplicationandprinciples,studieditsmechanismusingquantummechanics.KeyWordsnonlinearoptics;pol
3、arization;doublefrequency;opticalconjugate非线性光学研究相干光与物质相互作用时出性关系,即现的各种新现象的产生机制、过程规律及应用途P=ε0(χ1E+χ2EE+χ3EEE+⋯)(1)径,是在激光出现后迅速发展起来的光学的一个式中χ1,χ2,χ3分别称为介质的一阶(线性)、二新分支.非线性光学的研究在激光技术、光通信、阶、三阶(非线性)极化率.研究表明χ1,χ2,χ3⋯信息和图像的处理与存储、光计算等方面有着重依次减弱,在普通光入射情况下,二阶以上的电极要的应用,具有重大的应用价值和深远的科学意化强度均可忽略,介质只表现出线性光学性质.而当用单色
4、强激光入射,光场强度
5、E
6、的数量级可义.本文在介绍非线性光学效应基本理论的基础与
7、E0
8、(
9、E0
10、为原子内平均电场强度大小)相比上,着重讨论几种典型非线性光学效应及其在科或者接近,二阶或三阶电极化强度的贡献不可忽学研究和工程技术中的应用.略,就会产生非线性光学效应.既然介质中的感应电偶极子辐射出新的光1光场与介质相互作用的基本理论波,产生非线性光学效应,那么新光波的光矢量如何由电极化强度决定呢?这可以从麦克斯韦方程1.1介质的非线性电极化理论组推导出的波动方程加以说明.在入射光场作用下,组成介质的原子、分子或1.2光与介质非线性作用的波动方程离子的运动状态和电荷分布都要发生一定形式的对
11、于非磁性绝缘透明光学介质而言,麦克斯变化,形成电偶极子,产生电偶极矩并进而辐射出韦方程组为新的光波.在此过程中,介质的电极化强度矢量P5D¨×H=(2)是一个重要的物理量.P与入射光矢量E成非线5t36物理与工程Vol.14No.220045H粒子在中间状态(虚能级)上停留的时间将趋于无¨×E=-μ0(3)5t穷短.¨·B=0(4)¨·D=0(5)2几种典型非线性光学效应及其应用式(2)和式(5)中的电位移矢量D为D=ε0E+P,代入式(2)有2.1光学变频效应¨×5E5P不同频率的光波之间进行能量变换,引起频H=ε0+5t5t率转换的各种混频现象叫做光学变频效应.光学两端对时间求导,
12、有变频效应包括由介质的二阶非线性电极化所引起22¨×5H=ε05E+5P(6)的光学倍频、光学和频与差频效应、光学参量放大5t225t5t与振荡效应,还包括由介质的三阶非线性电极化对式(3)两端求旋度,有¨×(¨×E)=-μ0¨×所引起的四波混频效应.5H以光学倍频效应为例说明光学变频效应.假5t设入射光的光场为E=E0cosωt,若晶体的二阶将矢量公式¨×(¨×E)=¨(¨·E)-非线性极化率χ2不为零,则取前两项电极化强度2(¨·¨)E=-¨E代入式(6)有为2225E5PP=ε2)¨E=μ0ε02+μ02(7)0(χ1E+χ2E5t5t22=χ1ε0E0cosωt+χ2ε0E0c
13、osωt上式表明:当介质的电极化强度P随时间变化且21χε21χε2ω5P=χ1ε0E0cosωt+20E0+20E0cos2t2≠0时,介质就像一个辐射源,向外辐射新的225t(8)光波,新光波的光矢量E由方程(7)决定.式中第一项激发出频率不变的出射光波,第二项1.3非线性光学的量子理论解释导致光学整流,第三项则导致二次谐波,即产生了采用量子电动力学的基本概念去解释各种非倍频光.线性光学现象,既能充分反映强激光场的相干波光学倍频现象的实质,
