非线性光学效应

激光器的设计与制作-----半导体激光技术2非线性光学研究非线性光学的意义非线性光学的研究内容非线性光学的发展历史和发展趋势非线性光学的典型应用典型的非线性光学过程3非线性物理学和量子力学、相对论一起构成了现代物理学的基石。它是研究物质间在强相互作用下普遍存在的非线性现象，也就是研究作用与响应之间的关系是非线性的现象。非线性物理学是现代物理学的重要基石。非线性光学的意义非线性光学是非线性物理学的分支学科非线性光学是现代光学的分支学科光学：光的发射、传播以及光与物质相互作用的学科。激光是强光源。基于自发辐射的普通光源的光学称之为“传统光学”；基于受激辐射的激光光源的光学称之为“现代光学”。非线性光学研究强光与物质相互作用的规律，极大地丰富了非线性物理学的内容。4激光问世之前，人们对光学的认识主要限于线性光学：光束在介质中的传播是相互独立的；光的频率在传播过程中不会发生变化；介质的折射率，吸收系数等和入射光的光强无关，只是入射光的频率和偏振的函数介质的极化强度与光波的电场强度成正比非线性光学是研究激光与物质相互作用的学科•非线性光学现象是高阶极化现象0PE非线性光学的研究内容对很强的激光，光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟，媒质极化强度不仅与光场场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象－非线性光学效应。非线性关系光对媒质的作用媒质响应(1)(2)2(3)30(...)PEEE•非线性光学与线性光学的区别8非线性光学效应的分类按照激光与介质相互作用的方式，可以分为被动非线性光学效应和主动非线性光学效应。被动非线性光学效应：光与介质之间无能量交换；只是在不同频率的光之间进行能量交换。如倍频过程，参量过程，四波混频等。主动非线性光学效应：光与介质之间有能量交换；介质的光学参量与光场强度有关。如非线性吸收——饱和吸收，双光子吸收；非线性散射——受激拉曼散射，受激布里渊散射等。非线性光学的发展历史•非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期1961～1965年：初期创立阶段非线性光学效应大量而迅速地出现：光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸收、光束自聚焦以及受激光散射等。1965～1985年：发展成熟阶段继续发现新的非线性光学效应：非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等；对已发现的效应进行更深入的了解，并发展各种非线性光学器件。非线性光学的发展历史1985年代至今：应用阶段•从固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效应研究；•由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至更高阶效应的研究；•由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究；•就时间范畴而言，则由纳秒进入皮秒、飞秒领域。泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应。电光效应包括泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。电光效应是指某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性的效应。折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为Pockels效应或线性电光效应，1893年由德国物理学家泡克耳斯发现。折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的为Kerr效应或二次电光效应，1875年由英国物理学家克尔(Johnkerr,1824-1907)发现泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应。例如把磷酸二氢钾晶体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构成能产生电场的电容器，晶体的光轴与电容器极板的法线一致，入射光沿晶体光轴入射。与观察克尔效应一样，用正交偏振片系统观察。不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过P2。加电场后，晶体感生双折射，就有光通过P2。泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用于光闸、激光器的Q开关和光波调制等。131870,JohnKerrdemonstratedthattherefractiveindexofanumberofsolidsandliquidsisslightlychangedbytheapplicationofastrongDCfieldJohnKerrwasbornon17December1824.Startingin1857hewasmathematicallecturerattheFreeChurchTrainingCollege(自由教会大学)inGlasgow(格拉斯哥）.1890,FriedrichPockels（泡克耳斯）attheUniversityofGöttingen（哥廷根大学）studiedarelatedprocessknowntodayasthePockelseffect.141960,Maimanandthefirstrubylaser激光器的基本结构•电泵浦或光泵浦；•造成工作物质中粒子数反转分布，自发辐射引发受激辐射；•谐振腔对辐射光波选频放大。非线性光学的发展历史红宝石滤光片石英晶体694.3nm347.15nm底片1961年Franken等人在Michigen大学的实验－光学倍频实验。非线性光学这个新学科的出现！1212121962光学和频Bass等人使用两台波长相差1nm的红宝石激光器，将两束光入射到TGS（三甘氨酸硫酸盐）晶体中，输出的光束经光谱分析发现包含347nm附近三条谱线。22-101345cm0红宝石甲苯1962年，受激拉曼散射现象Woodbury和Ng两人用甲苯研究调Q红宝石激光器时，发现出射光束除了红宝石激光线外，还有一条766nm的谱线，这条谱线具有与红宝石激光同样的传播方向与小的发散角，它的频率相对于红宝石激光下移了1345cm-1，频移量正好等于甲苯的最强拉曼模的振动频率。二次谐波、光学和频与受激拉曼散射并列为三种最早发现的基本的非线性光学效应。1961年Kaiser与Garrett：同时吸收两个光子，原子从基态跃迁到激发态。掺铕氟化钙晶体2双光子吸收人们还陆续发现了许多新的非线性光学现象，双光子吸收制得是介质中的原子同时吸收两个光子，从基态跃迁到激发态。这个双光子吸收的系数是和入射光强度的平方成正比的。这些现象的发现，大大促进了高分辨率光谱的研究和发展1963年，饱和吸收效应。当增加入射激光束的强度时，介质的吸收系数会减小。利用这种效应，人们可以在具有较大多普勒宽度的光谱线轮廓中得到很窄线宽的饱和吸收下凹。饱和吸收光谱(saturationabsorptionspectroscopy)是一种测量原子吸收光谱的技术，通常简称SAS。饱和吸收光谱的特点是，吸收光谱信号的半高宽没有被多普勒展宽(Doppler-free)，仅仅由所涉及的原子能级跃迁的线宽和激光强度决定。饱和吸收效应1965年：Giordmaine和Miller光学参量放大和振荡ipsspspLiNbO3LiNbO3Laser01.058um0020.529um倍频filterreflectorswithfilmcoatedParameterOscillatorfilteropticalaxis02p,,psi,si•在受激拉曼散射的启示下，与声波激发相关的受激布里渊散射，与熵波激发有关的受激瑞利散射，与分子取向激发有关的瑞利翼散射等也被观察到。上世纪60年代初及中期，在上述非线性现象发现的同时以Bloembergen布鲁姆伯格及他的学生为主基本建立了以介质极化和耦合方程为基础的非线性光学理论0相对强度RamanRamanRayleighBrillouinStokesAnti-StokesRayleighwing•Bloembergen(非线性光学的先驱——尼古拉斯·布鲁姆伯格)是非线性光学理论的奠基人。他提出了一个能够描述液体、半导体和金属等物质的许多非线性光学现象的一般理论框架。他和他的学派在以下三个方面为非线性光学奠定了理论基础：–物质对光波场的非线性响应及其描述方法；–光波之间以及光波与物质激发之间相互作用的理论；–光通过界面时的非线性反射和折射的理论。理论和实验相结合，一系列三阶非线性光学效应也相继发现。而且还发现：只要有足够的光强，三阶非线性效应存在于所有的介质中。1962年，Askaryan(阿斯卡莱恩)在理论上提出由于折射率随光强变化从而使激光束在传播中可能出现自聚焦。1964年，Hercher(赫彻)在一束功率为几兆瓦的调Q激光束通过固体时，观察到排成许多条线的损伤斑点，斑点的直径只有几个微米。很快Chiao等人提出了自陷模型解释了该现象。70年代初，光学克尔效应得到实验验证。光学相位共轭光学相位技术是非线性光学较广泛应用的技术之一。在今天的光通讯技术领域，也用来补偿光纤长距离传输造成的信号畸变，在激光技术领域，用来被偿激光束在激光介质内传播产生的光束畸变。相位共轭镜反射光束普通反射镜什么叫相位共轭？如果一个过程中，输出波的相位是输入波相位的复共轭，那么这种过程被定义为相位共轭。换名话说，这种过程把输入波的相位颠倒。。相当于相位共轭的输出波相对于输入波反向地传播，空间发生完全反转，这样的相位共轭反射镜，与传统的反射镜完全不同，它将输入波的空间形状按原路复制返回.Zf入射光强分布虚线：波阵面实线：光线非线性媒质自聚焦现象：光束在材料中被聚焦，使焦点处达到高于固体损伤阈值的功率密度，从而出现损伤斑点自聚焦自聚焦的机理：自聚焦是一种感应的透镜效应。光束在非线性介质中传播时，光束自作用使其波前发生畸变而引起的。平面波：R弱会聚波：强会聚波：发散波：0R0R0R自聚焦1976年，贝尔实验室的Gibbs等人利用非线性标准具观察到由于折射率随光强变化产生的光学双稳态效应，从而开始了无论在物理上还是在应用上都是十分重要的非线性光学研究的一个分支：光学双稳态的研究。光学双稳态光学双稳态技术可以制作出这样的装置，它对光强的透射（或反射）有两个稳定的状态，高透、全反。透过率曲线类似于电磁学中的磁滞回线。吸收型光学双稳态效应F-P腔饱和吸收体IinIoutIoutIin光学双稳态器件是依据非线性介质吸收光后，引起非线性折射率变化（色散改变），及共振吸收饱合效应引起的如果在一个法布里-珀罗干涉仪中填满非线性介质，那么，由于光场感应的折射率，通过该干涉仪的单色光束的透过率就与光束的强度有关。例如，当干涉仪的间隔被调谐到使透过率达到峰值的数值时，当一个强光束照射时，干涉仪便开始失谐，这是因为光场感应的折射率已使通过该干涉仪的光束产生了一个附加的相位变化。一般，非线性法-珀干涉仪的透过率是光强的高阶非线性函数，并与干涉仪的初始偏置有关。通常用来实现光强限制、差分放大、双稳态。•70年代中期发现利用四波混频可以实现相位共轭，这是非线性光学中一个重要的发现。开拓了非线性光学相位共轭这个重要的研究领域。1E2E()phLE(0)phE()sLE(0)sE0ZZL•各种相干瞬态光学效应作为非线性光学的另一类，也在60及70年代初相继提出和实现。–64年预言并观察到光子回波；–67年发现了光学自感应透明；–69年预言并观测到光学章动；–72年观察到光学自由感应衰减。•70年代开始非线性光学的应用研究：一方面给非线性光学注入了持续发展的动力；另一方面研究成果进一步丰富了非线性光学的内容。–扩展相干光源•倍频、和频、多倍频：蓝光、紫光、紫外光•差频：红外激光•参量振荡：可见光、近红外、红外、远红外可调谐激光器•受激Raman散射、四波混频、参量振荡（气体）：紫外光、真空紫外光可调谐激光器1990年以来，非线性光学在如下领域取得了重大的进展：–飞秒区非线性光学性质的研究，以及飞秒化学和飞秒生物学；–