- 信息材料课件-非线性光学晶体材料 [兼容模式].pdf

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1、非线性光学材料NonlinearOpticalMaterials光电技术学院主要内容v非线性光学基本概念及其应用v非线性光学晶体材料v其它非线性光学材料非线性科学（量子力学、相对论）线性和非线性(数学和物理上)非线性科学，目前有六个主要研究领域，即：l混沌(Chaos)l孤子波（Soliton）l分形（Fractal）l模式形成（Patternformation）l元胞自动机（Cellularautomata）l复杂系统(Complexsystem)目前发展起来的非线性物理学科包括：*非线性光学（NonlinearOptics）*非线性声学（NonlinearAcous

2、tics）*非线性动力学（NonlinearDynamics）*量子混沌(QuantumChaos)……1、研究范畴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rrrE(t)极化响应过程P(t)辐射过程E(t)rrrP介(质)对光场的响应呈线耦性合关波系方：程线性光学E(t)~P(t)介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学各种非线性光学现象各光波间能量的转换光与物质相互作用的机理当光照射物质时，光波电磁场将对物质中的电子产生作用，在外电场的作用下，介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡。++－原子的电极化：

3、负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态。若光波随时间作正弦变化，即它的电场强度沿两个相反方向交替变化，电偶极子的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。表征电偶极子的物理量是电偶极矩。P=Nqr当光与物质相互作用时，光场中的电场强度使介质原子因感应而产生电偶极矩，电偶极矩叠加起来形成电极化强度。电极化强度产生极化场，极化场发出次级辐射。极化响应的过程l普通光入射介质，对应极化强度与入射光场的关系rrrP=´E0其中，0为真空介电常数，为线性极化率l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rr(1)rr(2)rrr(3)rrrP=´E+:EE+MEEEL0

4、00rrrrr(1)(2)(3)(1)NL=P+P+PL=P+P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rrrr(1)(2)(3)P=P+P+PL由非线性光学理论可以证明vr(n+1)PvvE原子内的平均电场强度~(n)的大小（～1011V/m）PEatØ弱光下，E

5、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l激光技术催生非线性光学的出现并推动了其发展。线性光学非线性光学单束光在介质中传播，通过干涉、衍某一频率的入射光，可通过与介质的相射、折射可以改变空间能量的分布和互作用转换成其它频率的光（如倍频），传播方向，但与介质不发生能量的交还可以产生一系列在光谱上周期分布的换，不改变光的频率不同频率和光强（受激拉曼散射）多束光在介质中交叉传播，可能发生能多束光在介质中交叉传播，不发生能量相互转移，改变各自频率或产生新的量相互交换，不改变

6、各自的频率频率（三波和四波混频）光与介质相互作用，介质的物理参数如光与介质相互作用，介质的物理参量极化率、吸收系数、折射率等是光强的只是光频的函数，与光场强度变化无函数（非线性吸收和色散、光克尔效应关和自聚焦）光束通过光学系统，入射光强与透射光光束通过光学系统，入射光强与透射强之间呈非线性关系，从而实现光开关光强之间一般成线性关系（光限幅、光学双稳、各种干涉仪开关）光束之间可以相互传递相位信息，而且多束光在介质中交叉传播，各光束的两束光的相位可以互相共轭（光学相位相位信息彼此不能相互传递共轭）发展历史（三阶段）v1906年泡克耳斯发现线性电光效应；v1929年克尔发现二

7、次电光效应。v由于缺乏光学频段非线性研究的必要条件，光学非线性的研究一直停滞不前。v非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。1961年Franken等人在Michigen大学的实验－光学倍频实验。滤光片红宝石694.3nm石英晶体347.15nm底片非线性光学这个新学科的出现！1）非线性光学的早期10年（1961-1970）l1961，红宝石激光倍频(SHG)（标志非线性光学真正诞生）l随后发现了几种非线性光学的基本现象和各种瞬态光学效应：和频、差频、参量振荡；受激拉曼散射、受激布里渊散射、相干（反）斯托克斯