非线性光学课件

NonlinearOptics非线性光学§1.1非线性光学的意义1.1.1非线性光学是非线性物理学的分支学科非线性物理学是研究在物质间宏观强相互作用下普遍存在着的非线性现象，也就是作用和响应之间的关系是非线性的现象。非线性光学是非线性物理学的一个分支，它是描述强光与物质发生相互作用的规律。非线性光学在激光发明之后迅速发展起来，它所揭示的大量新现象极大地丰富了非线性物理学的内容。第1章绪论1.1.2非线性光学是现代光学的分支学科“传统光学”——基于自发辐射的普通光源的光学“现代光学”——基于受激辐射的激光光源的光学1.1.3非线性光学是研究激光与物质相互作用的学科光与物质的相互作用原理光导致物质极化、磁化，产生感生电流等等产生使物质产生电磁场辐射物质对光的反作用改变原来的光场（物质响应现象）非线性光学(激光为光源)与线性光学(普通光为光源)有本质的区别，两种情况下，在光与物质相互作用或光波之间的相互作用中所表现的特性不同。1.非线性光学与线性光学的主要区别线性光学非线性光学光在介质中传播，通过干涉、衍射、折射可以改变光的空间能量分布和传播方向，但与介质不发生能量交换，不改变光的频率一定频率的入射光，可以通过与介质的相互作用而转换成其他频率的光(倍频等)，还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强的光(受激拉曼散射等)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（三波与四波混频）光与介质相互作用，不改变介质的物理参量，这些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，介质的物理参量如极化率、吸收系数、折射率等是光场强度的函数(非线性吸收和色散、光克尔效应、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(光限制、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信息，而且两束光的相位可以互相共轭(光学相位共轭)2.被动非线性光学与主动非线性光学•被动非线性光学效应的特点是：光与介质间无能量交换，而不同频率的光波间能够发生能量交换。•主动非线性光学效应的特点是：光与介质间会发生能量交换，介质的物理参量与光场强度有关。在线性光学范畴，采用极化强度P(r,t)来解释所观察到的介质中的吸收、折射及色散等现象。(1)0(,)(,)ttPrEr式中，0是真空介电常数；(1)是介质的线性极化率。通常情况下，(1)是复数张量。电磁波在介质中的波动方程：222000022(,)(,)(,)(,)tttttttErErPrEr式中，0是真空磁导率，为介质的电导率。1.1.4非线性光学现象是高阶极化现象线性介质中电磁场(,)tEr的变化规律（即光波的传播规律）：1.方程的解满足叠加原理2.光波传播过程中频率不变，即不会产生新频率3.折射率与光强无关以上三条结论在非线性介质中均不成立！！极化强度(,)tPr按入射光频信号电场(,)tEr的幂级数展开的形式为：(1)(2)(3)00:0P=EEEEEELNL=PP•若入射光是激光，光强比普通光高几个数量级，极化强度展开为光场的幂级数，要考虑高幂次项的作用。式中的第一项是电极化强度的线性项，用PL表示，而第二、三项以及更高幂次项，即是非线性光学效应的根源，其和用PNL表示。(2)(3)、分别为二阶、三阶非线性极化率张量，它们以及高阶非线性极化率张量()n相互作用的基本参量。是表征光与物质非线性理论和实验测量证明，上式中后一项的系数比前一项的系数小得多，粗略地有以下关系：(n+1)(n)~PEPE原子式中，E原子是介质中的原子内场，典型值为31010V/m。在激光器出现之前，一般光源所产生的光场即使经过聚焦也远小于E原子，因此，很难观察到非线性光学现象。1960年激光器诞生，特别是随着调Q激光技术的发展，使得所产生的激光很容易达到这样的强度。一点说明：(0P=E+:EE+EEE+)成立条件:级数收敛常数,与入射光场的有无无关0P=E)E（:+E+EE+与物质本身有关，还与入射光场有关非线性光学效应的定义：凡物质对于外加电磁场的响应，并不是外加电磁场振幅的线性函数的光学现象，均属于非线性光学效应的范畴。—————BloembergenBloembergen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。非线性光学称为强光光学的局限性：早期的研究认为：通常二阶以上的电极化都非常弱，所以光的非线性效应是很弱的。只有激光出现后，提供了电场强度很大的光波，高次项的影响才显现出来。光折变效应不是强激光作用下才能产生的结果！其他说法：介质在强激光场作用下产生的极化强度与入射辐射场强之间不再是线性关系，而是与场强的二次、三次以至于更高次项有关，这种关系称为非线性。凡是与非线性有关的光学现象称为非线性光学现象，属于非线性光学的研究内容。————不太严格！！1.1.5非线性光学现象是介质的参量与光强有关的现象对于各向同性介质，可将矢量式改写为标量形式(1)(2)(3)000PEEEEEE(1)(2)(3)20()EEE0()EE(1)(2)(3)2(1)(2)(3)2()()()EEEEE§1.2非线性光学的主要研究内容1)光在非线性介质中传播时由于和介质发生非线性作用自身所受的影响；2)介质本身在光作用下的性质，由此可以推断介质内部的结构及其变化---非线性光谱学。两大类：具体研究内容：非线性极化率的经典、半经典理论，以及极化率的性质光波在非线性介质中传播的基本方程二阶非线性光学效应：二次谐波产生（SHG）、和频产生（SFG）、差频产生（DFG）、光学参量振荡（OPO），光学参量放大（OPA)三阶非线性光学效应：三倍频(THG)、光克尔效应(OK)、四波混频(FWM)、双光子吸收(TPA)、饱和吸收(SA)、受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)、自聚焦(SF)、相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)瞬态相干光学效应非线性光学领域中的分支内容：非线性光学相位共轭技术、光折变非线性光学、超短光脉冲非线性光学，光纤非线性光学§1.3非线性光学的发展•1961年，Franken实验发现红宝石激光的倍频；1.3.1非线性光学的发展简史1.非线性光学初期创立阶段（1961～1965）转换效率10-8红宝石滤光片石英晶体694.3nm347.15nm底片•1962～1964年，发现受激拉曼散射、受激布里渊散射；•1962～1965年，发现和频、差频、参量振荡、四波混频；•1963～1965年，发现饱和吸收、反饱和吸收、双光子吸收；•1964～1966年，发现自聚焦和自相位调制；•1965年，实验发现光学相位共轭；•1962年，Amstrong等在1962年发表了关于光场与物质的非线性相互作用的长篇论文（ABCD论文），至今仍有一定参考价值;•1965年，N.Bloembergen出版《NonlinearOptics》一书。•1965年，Butcher推出《NonlinearOpticalPhenomena》一书。2.非线性光学发展成熟阶段（1965～1985）•1970～1985年，实现半导体量子阱、超晶格，发展半导体非线性光学；•1975～1984年，实验发现光学双稳态和光学混沌，推动光计算研究；•1984～1987年，研究光纤中的非线性光学，实现光孤子激光器；•1985年，实验获得光学压缩态，促进量子光学的发展；•1984年，沈元壤出版《ThePrinciplesofNonlinearOptics》一书。•非线性光学材料在这20年有了重大进展，中国科学家在无机非线性晶体的研究中取得的成绩令世人瞩目。3.非线性光学初步应用阶段（1985年～今）•1985~1987年，新型非线性光学晶体BBO和LBO的发现，推动ps和fs瞬态光学的研究；•1987年，开始研究有机材料激发态非线性光学，推动光限制器研究；•1987年，光子晶体的提出，推动了非线性光子晶体理论与器件的研究；•1989年，掺铒光纤放大器的发明，推动了光纤通信的发展；•上世纪90年代初期，光孤子通信实验成功，推动了孤子通信的发展；•上世纪90年代中期，DWDM光通信技术的发展，对波长转换器、光开关、拉曼放大器等非线性光学器件提出需求；•上世纪90年代末期，完成远程量子信息传输实验，促进量子通信技术发展。•1979~2002年，非线性光学在非线性光子晶体中的应用•1995~2005年，非线性光学在手性分子材料中的应用非线性光学理论已进入成熟阶段，但仍有发展的空间。目前非线性光学已呈现与其他学科融合，促进其他学科领域发展的局面：信息时代得益于半导体光器件、光纤及光纤系统的发展，而它们的非线性现象会直接影响到光通信系统中业务的质量。这方面的研究是光通信的热点之一。信息存储和处理的人们，仍然在研究光学双稳态的实用化技术。由激光与物质的非线性相互作用产生的压缩态效应，由于其量子起伏的降低，在通信系统中有应用的潜力，在受到人们的关注。寻求新的非线性材料一直贯穿于非线性光学的发展。除了寻求新的非线性效应外，寻求非线性极化率更大、光学稳定性更好的材料是非线性光学工作者一直关注的方向。1.3.2非线性光学研究的发展趋势非线性光学研究的发展趋势是：•研究对象从稳态转向动态；•所用光源从连续、宽脉冲转向纳秒、皮秒和飞秒甚至阿秒超短脉冲；•从强光非线性的研究转向弱光非线性研究；•从基态一激发态跃迁非线性光学研究转向激发态一更高激发态跃迁非线性光学研究；•从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象；•从二能级模型的研究转向多能级模型的研究；•研究物质的尺度从宏观尺度(衍射光学)，到介观尺度(近场光学)，再到微观尺度(量子光学)。非线性光学材料研究的发展趋势是：•从晶体材料到非晶体材料；•从无机材料到有机材料；•从对称材料到非对称材料(手性材料)；•从单一材料到复合材料；•从宏观材料到纳米材料，如半导体量子线和量子点、光子晶体，以及纳米管、纳米球和团簇材料等。§1.4非线性光学的应用•1)可以开拓新的相干光波段，提供从远红外(8~14m)到亚毫米波，从真空紫外到X射线的各种波段的相干光源。•2)可以解决诸如自聚焦、激光打靶中的受激喇曼散射、受激布里渊散射等损耗的激光技术问题。•3)可以提供一些新技术，并向其他学科渗透，促进它们的发展。•4)由于非线性光学现象是光与物质相互作用的体现，因而可以利用非线性光学研究物质结构，并且对于许多非线性光学现象的研究，已经成为获取原子、分子微观物质信息的一种手段。应用举例（1）应用举例（2）应用举例（3）——非线性光学是光子学的基础课程主要内容：•第二章非线性光学的极化率理论•第三章耦合波方程和二阶非线性光学效应•第四章三阶非线性光学效应•第五章光纤中的非线性•第六章光纤通信系统中的非线性•第七章超短脉冲激光器与超快非线性光学现象教学安排：–讲课为主(每次4学时)–每个学生需各自针对目前非线性光学的一个前沿性问题进行资料收集、整理，写出不低于5000字的书面报告，要求至少阅读15篇文献再完成该综述论文，所选主要参考文献应能代表该领域的前沿技术和发展趋势，其中2012年以后的文献不少于10篇。量子信息技术(量子计算、量子通信、量子密匙)光子晶体光纤有机分子的光学非线性纳米材料中的非线性光速的调控技术(慢光)超短脉冲产生技术光网络中的非线性半