克尔效应与自聚焦教程课件.ppt

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1、第五章光克尔效应和自聚焦§1光致折射率效应的物理机制已知光场作用于介质，通过的混频，会产生频率仍为ω的三阶非线性极化频率为的光场产生的线性极化为合并上两式，则介质所产生的频率为的极化为因为频率为的电位移矢量为则由上两式可得则频率为的折射率为在不考虑三阶极化（即只考虑线性极化）时折射率为令当时，有因光强，则折射率表示为其中n2()称为非线性折射系数一般而言，频率为的光不仅会使频率与之相同的折射率发生变化，也会使频率与之不同的折射率发生变化频率为和的两束光（一般前者强，后者弱）同时作用，会

2、在介质中产生频率为的三阶极化因此，频率为的光不仅会使频率与之相同的折射率发生变化，也会使频率与之不同的折射率发生变化同样，频率为的光场产生的线性极化为则得其中是频率为的光产生的频率为的折射率改变。它也与光强成比例，但比例系数不同。可以证明：介质的线性折射率和非线性折射率都与极化率的实部成线性关系；而介质的线性吸收系数和非线性吸收系数都与极化率的虚部成正比，即（2）互作用克尔效应：非线性极化率是由频率为的泵浦光引起的，或频率相同但传播方向或偏振方向不同的泵浦光引起的光克尔效应。§2光克尔效应光克尔效

3、应：光电场直接引起的折射率变化的效应，其折射率变化大小（即非线性折射率）与光电场的平方成正比。由于光克尔效应引起的折射率的变化反映了极化率的变化，而可以证明：极化率的变化只是极化率实部的变化光克尔效应的两种形式：（1）自作用克尔效应：非线性极化率是由频率为的信号光本身的附加光强引起的光克尔效应。一、自作用光克尔效应设频率为的强激光入射各向同性介质，只考虑一阶和三阶极化率的实部则非线性折射率为则频率为的折射率为定义有效三阶极化率为线性折射率为而则非线性折射率可表示为非线性折射系数克尔介质的总折

4、射率为光克尔效应引起的光致折射率变化的物理机制有：①热效应；②电致伸缩效应；③非线性电极化；④电子云畸变；⑤分子重新分布或振动。这些物理过程与介质的响应时间有密切的关系Responsetimeandmagnitudeofn2forvariousmachanismsPhysicsMachanismsτ(s)n2(esu)Thermaleffect10-1-110-4to10-5Electrostriction10-8-10-910-10to10-11Nonlinearelectronicpolar

5、izability10-11-10-1210-11to10-12Electroncloudaberration10-1310-13to10-14Molecularredistribution10-1310-12to10-13可见：克尔介质的非线性折射系数越大，介质的响应速度越慢二、互作用光克尔效应设频率为的单色信号光与频率为的单色泵浦光同沿z方向传播，但两者偏振方向不同。设泵浦光沿y方向偏振，信号光在x-y平面内偏振。泵浦光引起介质折射率发生变化，从而由信号光电场的x和y方向分量产生的非线性极化

6、强度在x和y方向的分量分别为把的表达式代入y方向的耦合波方程，得若泵浦光不随x变化，可解得y方向的信号光场•表示由频率为1、振动方向为的光电场分量E(1)、频率为2、振动方向为的光电场分量E(2)以及频率为3、振动方向为的光电场分量E(3)，通过三阶非线性相互作用产生的在方向上振动且频率为(1±2±3)的三阶极化强度分量或则信号光在y方向的非线性折射率为同理，信号光在x方向的非线性折射率为克尔系数：表征光致双折射效应（互作用光克尔效应）的强弱克尔光开关自聚焦现象：设

7、入射到介质的是单模激光束，其横截面上具有高斯强度的分布I(r)（r是以中心为原点的径向坐标），中心处最强，越靠边缘越弱。由于光束与介质的三阶非线性作用，介质的折射率发生与强度成正比的改变，从而使折射率在横截面上出现的分布，使光束经过的介质产生类似透镜的作用，由于非线性折射系数n2的符号可正可负，可以对光束进行聚焦或散焦的现象。§3光束的自聚焦自聚焦：当n2>0时，横截面中心处的折射率最大，越靠边缘越小，因此，波前的中心部分在介质中的传播速度最慢，越靠边缘速度越快，从而入射的平面波前在传播过程中逐渐

8、向入口方向凹陷，光束如同经过一个正透镜，被逐渐聚焦。即表现为正透镜效应，即为自聚焦。式中n0为介质的线性折射率，m为最大会聚角，n(0)是中心轴上的折射率，n(R)是边沿的折射率；且有则式中k为波矢，a为束腰半径根据渐变折射率自聚焦透镜端面处最大数值孔径公式在光束截面缩小的过程中又会出现自衍射，使光束发散、让光束截面扩大，则高斯光束的最大衍射角为若要自散焦作用大于自衍射作用，要求：即在一般情况下，激光强度高于1MV/cm2即可满足此条件自散焦：当n2为负值时表现为负透镜效应，即为