Transcript 非线性光学简介

* 非线性光学简介
（nonlinear optics）
图为中国科学院福建物质结构研究所研制的非线性光学晶体三硼酸
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锂，被美国评为1989年度国际激光与光电子技术领域十大产品之一
*非线性光学简介
弱光在介质中符合叠加原理 — 线性光学
强光在介质中不符合叠加原理 — 非线性光学
对各向同性介质
★ 当电场强度
E 不太大时（弱光）
极化强度 P   0 (  r  1 ) E   0  e E
—— P与 E 成线性关系
式中
 e   r  1 —— 介质的电极化率
2
★
当电场强度 E 很大时（强光）
(1 )
(2)
2
(3)
3
P  0  E   E   E   
—— E 和 P 呈非线性关系


(1 )
—— 线性极化率
(2)
—— 二次（阶）非线性极化率
 ( 3 ) —— 三次（阶）非线性极化率
可以证明，各次极化率间有如下关系：

(2)

(1 )


(3)

(2)


(4)

(3)

1
E 原子
，E原子  1010 V/m
各向异性介质中，极化率是张量，P 和 E 的关系
较复杂，这里不再做介绍。
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 对普通光
此时
E ～ 10 4 V/m，

(2)

E
(1 )
E
2


(2)

(1 )
E 
E
 10
6
E 原子
高阶项不重要，只留第一项，是线性效应。
 对激光
E 可很容易达到并超过10 8 V/m
此时第二项  ( 2 ) E 2 就不能忽略了，介质就表现
出了各种非线性效应。
1961年弗兰肯（P.A.Farnken）等首先观察到
光学倍频这一非线性现象。此后，非线性光学发
展迅速，并很快形成为一个专门的新兴的学科。
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下面举例介绍几种常见的非线性光学现象：
一. 倍频效应
由极化强度 P 中的第二项0（2）E 2引起的
二阶非线性效应：
若 E =E0 cos t，则
原有频率
第一项 0 （1）E = 0（1）E0 cos t
第二项 0（2）E 2 = 0（2）E02 cos2 t
= 0（2）E02/ 2（1+cos2 t）
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▲
▲
光整流效应： P 中的直流成分表明，光照晶体
可在晶体的某两个表面间产生直流电压。
水
3471.5 Å
二倍频现象：
晶
6943 Å
片
红宝石激光器
脉冲
棱镜
应用： ◆ 使不可见光→可见光（改变光颜色）；
◆
可提高产生所需频率激光的效率。
倍
例如： Nd3+ 激光器→1.064m →
频 0.532m 绿光
钕
不可见
易获高功率
演示 激光倍频（KG045）
可见
用途广
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由二极管泵浦的Nd:YAG激光器产生的二倍频激光（532nm）装置
（采用自调Q、腔内倍频技术，清华大学物理系研制）
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二. 混频效应
设输入两束光 ，角频率为 1 、 2
总场强 E = E10 cos 1 t + E20 cos 2 t
则二次项：
（2）E2 = （2）（E10 cos1t + E20 cos2t）2
= （2）E102 /2（1+cos21t）+
+（2）E202 /2（1+cos22t）+
+（2）E10 E20  cos(1+2)t + cos(1-2)t 
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激光器1  1
2
激光器2
1
2
1 2 21 2
2
 1  2
 1+  2
晶体
（KH2PO4）
 1- 2
 1+  2
 1 2
2 1
2 2
和频与差频能获得更多频率的相干强光辐射。
例如，利用和频可产生可见光至紫外的强光辐射，
而用差频则可产生波长较长的红外至亚毫米段微
波区的强光辐射。
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三 . 光致透明和光学双稳态
激光很强时，物质的吸收系数会与光强有
关。
物质的吸收系数正比于上、下能级粒子数差。
强光可使物质分子的一半处于激发态， 此时吸
收系数为0，从而使本来不透明的物质变得透明
——光致透明。
在电磁学中，磁滞回线（即 B～H 曲线）有
非线性性质，利用它可以制作记忆元件。
非线性光学中也有类似于磁滞回线的现象：
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I
I0
透明
I
不透明
非线性
法布里— 珀罗腔 电光晶体
I0 —为入射光强
I — 为透射光强
0
I 0
I 0
I0
入射光强与透射光强间具有滞后回线的特性。
在 I0 和 I0 区间内，每一入射光的光强所对应的
透射光的光强有两种稳定状态 ——光学双稳态。
光学双稳态器件有可能用在：高速光通讯、
光学图象处理、光学限幅器、 光存储以及光学
逻辑元件等方面。
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半导体制成的光学双稳态器件有如下特点：
 尺寸小：直径几 mm
厚度101 ～102m
 功耗低：10 W/m2 ～ 1 W/m2
 开关时间短： ～ 10 - 12 s
它有可能成为未来的光学计算机的逻辑元件。
当前光学双稳态已成为非常活跃的研究课题。
除以上举例介绍的几种非线性光学效应外，
常见的非线性光学效应还有受激拉曼散射、自聚
焦与自散焦、 多光子吸收等，此处再不介绍了。
“非线性光学简介”结
束
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