非线性光学-绪论-第一章.ppt

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1、非线性光学技术学科特点激光技术催生非线性光学的出现并推动了其发展。线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性叠加原理非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不成立线性光学非线性光学单束光在介质中传播，通过干涉、衍射、折射可以改变空间能量的分布和传播方向，但与介质不发生能量的交换，不改变光的频率某一频率的入射光，可通过与介质的相互作用转换成其它频率的光（如倍频），还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强（受激拉曼散射

2、）多束光在介质中交叉传播，不发生能量相互交换，不改变各自的频率多束光在介质中交叉传播，可能发生能量相互转移，改变各自频率或产生新的频率（三波和四波混频）光与介质相互作用，介质的物理参量只是光频的函数，与光场强度变化无关光与介质相互作用，介质的物理参数如极化率、吸收系数、折射率等是光强的函数（非线性吸收和色散、光克尔效应和自聚焦）光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间一般成线性关系光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间呈非线性关系，从而实现光开关（光限幅、光学双稳、各种干涉仪开关）多束光在介质中交叉传播，各光束的相位信息彼此不能相互传递光束之间可以相互传递相位

3、信息，而且两束光的相位可以互相共轭（光学相位共轭）一、研究范畴极化响应过程辐射过程介质对光场的响应呈线性关系：线性光学介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学非线性光学是研究强光与物质相互作用过程中出现的各种新现象和新效应光物质光介质极化辐射各种非线性光学现象各光波间能量的转换耦合波方程二、非线性光学效应现象：1.激光倍频2.和频3.差频4.光参量放大与震荡5.受激散射和光学相位共轭其中，(1)为线性极化率，(2)和(3)是二阶，三阶非线性极化率。对于各向异性介质，(n)为（n+1）阶张量，张量元一般为复数，实部对应介质的折射率，虚部对应介质的吸收其中，

4、0为真空介电常数，为线性极化率强激光入射介质（远离介质共振区），可以采用下面的级数形式表示普通光入射介质，对应极化强度与入射光场的关系极化响应的过程原子内的平均电场强度的大小（～1011V/m）弱光下，，二阶以上非线性极化强度可忽略强光下，，二阶以上非线性极化强度不可忽略这就是许多非线性光学现象产生的物理根源由非线性光学理论可以证明1.非简谐振子模型电子在外电场驱动下做阻尼的非简谐运动方程为采用微扰法求解得：非线性响应的特点是频率为W1和W2的光场在非线性介质中感应的电极化强度，不仅有频率为W1、W2的分量，而且还有频率为2W1、2W2和的分量。这就是倍频、

5、和频和差频等光学效应。非线性频率变换技术：利用强光与物质相互作用的非线性光学效应，在满足相位匹配的条件下，使介质中出现新频率的相干辐射。常用方法：激光倍频（SHG）和频（SFG）差频（DFG）三次谐波（THG）光参量震荡（OPO）受激拉曼散射（SRS）2.极化率张量的性质一阶极化率（反映色散与吸收的线性极化率）倍频极化率和频极化率差频极化率极化率张量除了与频率有关外，其主要性质还又其物理对称性决定对于各项同性介质，线性极化率是一个与方向无关的标量；对于各项同性介质，某方向偏振的光波电场不仅导致该方向的极化，而且导致其他方向的极化，各阶非线性极化相应的极化率是依次

6、的高一阶张量在远离于离子共振频率处，极化仅由电子位移引起，而离子的贡献可忽略。若非线性介质为无损耗的，则非线性极化率张量具有完全互易对称性极化率张量是描述介质对光场响应特性的，因此介质本身结构的空间对称性将限制非线性极化率张量的独立分量个数若相互作用的光波是准单色平面波，略去时间二阶导数项，则光波电场振幅分量的方程为（暂态波耦合方程）当脉冲宽度时，调Q激光脉冲在介质中传输的稳态波耦合方程每一个确定频率分量的极化可表示为：K是由内禀变换对称性所决定的数值因子表示n个频率中有个相同，Wm表示为n个频率的代数和，频率若为负值，则其对应电场取共轭形式对于二阶非线性光学效

7、应，有三个波相互作用，取设频率关系为极化分量为三波耦合方程7.2激光倍频技术7.2.1倍频的波耦合方程及其解基频光波电场Ew和倍频光波电场E2w的波耦合方程为1.非耗尽近似当倍频光为小信号近似，则倍频光强为倍频效率常用来表征转换效率当时，取最大值。所以是保证高效率倍频的关键因素，称为相位匹配条件。相位匹配条件决定着光波之间能量的交换方式和效率相位匹配的物理分析当时，基频光大量转换成倍频，非耗尽近似失效，波耦合方程可化为式中，，，相位关系为，保证在相位匹配条件下基频光能量不断向倍频转移，且有7.2.2相位匹配的意义与方法相位匹配表面在高转换效率条件下的动量守恒关系

8、，保证能量转移由基频光向