08-第五章--三阶非线性光学效应

1第五章三阶非线性光学效应2非线性光学中的三大类效应1、基于非线性极化率和耦合波方程描述的效应。2、光折变效应----介质对光场的非局域响应，其物理模型是光诱导下的载流子再分布引起的折射率改变。3、光学瞬态相干效应----光与介质相互作用时间远小于介质驰豫时间，是指完全相干的强激光场与忽略随机自发驰豫行为的共振吸收介质间的相干相互作用。)2()(nn3三阶非线性光学效应概述主要特点：1、基于及耦合波方程描述。2、无论介质有何种对称性，总存在一些非零的张量元，原则上三阶非线性光学效应可在所有介质中观察到。3、比二阶效应弱几个数量级()，更难于观察。4、三阶效应中参与相互作用的有四个光电场，现象更加丰富。)3()3()2()3(4分类：非线性光学过程：1、参量过程----光与介质相互作用后，介质仍回到初态，能量只在光场与光场之间转移。2、非参量过程----介质在与光场相互作用后的终态与初态不同了，发生了光场与介质间的能量转移。普遍性：在任何材料中都可能发生。5一些重要的三阶非线性光学效应：1、克尔效应及其相关自聚焦现象、三倍频(THG)。2、光感应折射率改变及其相关效应（自聚焦、光Kerr效应等）。3、四波混频(FWM)。4、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)。（以上均为参量过程）5、受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)。6、双光子吸收(TPA)。7、饱和吸收(SA)。（5、6、7均为非参量过程）6§5.1克尔效应（KerrEffect）与自聚焦现象一、克尔效应789)()](1[)()()()()()0()0(),0,0,(3)(),0()0(),0,0,(3)()0()0(),0,0,(3)(1)0()0(),0,0,(3)(1)()]0()0(),0,0,(3)([)()]()([)()()1(20222020)3()3()3()1()3()1()3()1(00)3()1(0ilililililililililililjijkliljijkliljijklililrnnnnnEEEEEEEEEEEEPPEDkkk又令10)()](1[)()()()()()()(),,,(6)()()(),,,(6)(1)()(),,,(6)(1)()]()(),,,(6)([)()]()([)()()1(20222020)3()3()1()3()1()3()1(00)3()1(0ilililililililililililjkiljijkliljkjijklililrnnnnnEEEEEEEEEEPPEDkk又令二、光克尔效应-----光感应折射率11克尔常数：12ikzikzeEEaaaeEEEP)()()()()(),,,(6)()()(),,,(6)(2)3(0)3(0)3(2(3)(3)0,,()6()()(,,,)()ikzuuyyxyzPEEea各向同性介质：)(),,,()()(6)()3(20)3(xxxyyikzxaeEEP)(),,,()()(6)()3(20)3(yyyyyikzyaeEEP13),,,()()(43),()(2),()3(20002)3(02yyyykziEEkiezPakidzzdEzEkcciyyyyezE),,,()(43)3(20),()(),,,()()(23)()3(200)3(xxxyyikzxaeEEP)(),,,()()(23)()3(200)3(yyyyyikzyaeEEP0)(,0)(,0)(zyxaaa),,,()(43)()3(20yyyyEkcn对偏振方向与偏振垂直的光电场方程：14nlEkcn2,)(43)3(20感应的折射率与感应极化率的关系式：),,,()(43)()3(20xxyyEkcn同理，对偏振方向与偏振垂直的光场，折射率变化量：)],,,(),,,([83)3()3(xxyyyyyyc15光场感应的双折射能改变在介质中传播的光束的偏振。假设在各向同性介质中，感应的线性双折射是。当频率为的探测场通过长度为l的介质后，它的x和y分量经受到一个相对相差：这一相差改变了探测光束的偏振态。lncl)/(ln16一束有足够强度的激光束能够使介质的折射率发生明显的变化，这种折射率的变化反过来又影响光束在该介质中的传播，从而导致一类在性质上不同于光学混频或波的非线性衰减的新的非线性效应。4n感应的折射率与感应极化率的关系式：三、光场感应的双折射17强光引起折射率变化的物理机制：（1）原子或分子中的电子云畸变（2）与极性分子取向有关的高频克尔效应（3）分子感应偶极矩之间相互作用引起的分子重新分布（4）电致伸缩效应（5）光-热效应18机理非线性折射率系数n2m2/v2）响应时间（s）电子云畸变10-22～10-2310-13光克尔效应10-20～10-2110-11～10-12.分子再分布10-21～10-222×10-13电致伸缩效应10-20～10-2110-8～10-9热效应10-13～10-141～0.1光致折射率变化的机理、非线性折射率系数及响应时间19自聚焦是一种感应的透镜效应，这是由于光束在非线性介质中传播时，光束使光束自身作用遭受到一个波前畸变而引起的。四、自聚焦)(20Ennn20如果光场感应的折射率变化是正的，具有较高强度的光束中心部分所经受到的折射率应比其边缘部分所经受到的折射率大，因此，光束中心部分传播的速度比边缘部分的低，从而，当光束在介质中传播时，光束原来的平面波前逐渐地畸变得越来越厉害。这种畸变类似于由一个正透镜强加于光束的畸变。由于光线是沿与波前垂直的方向传播的，所以光束就象被自己所聚焦。n)(20Ennn21导致在非线性介质内自聚焦的激光光束波前畸变的示意图22条件：仅当自聚焦强于衍射(反比于光束半径的平方)。现象：光束分裂成一些很强很细的细丝。多路细丝是输入光束中多模结构的结果，而单模的输入激光实际上只在光束轴线上产生一条细丝。该细丝对应着运动焦点的轨迹，其直径对应着焦点的直径，而细丝强度对应着聚焦区域内的强度。产生机理：电致伸缩自聚焦、密度起伏自聚焦等。特别是在吸收介质中，由于介质通过光吸收而被加热引起一个正的：如果温度上升使增大，且为正值，则可能产生自聚焦，即称为热自聚焦。TTnTTnnDTD)()(n23用运动焦点图象解释受激布里渊散射等非线性现象：当激光功率大大超过自聚焦阈值时，自聚焦引起的运动的焦点会激发后向布里渊散射。该后向受激布里渊散射与剩余的入射激光相交，因而被有效放大，并消耗入射激光的功率。通过自身调节，后向受激布里渊散射使透射的激光功率刚好保持在自聚焦的阈值之下，运动的焦点或细丝也就被终止了。因此，后向受激布里渊散射输出是以一个很强的毫微秒脉冲的形式出现。24如果折射率随着光强的增强而减小，就有可能发生自散焦现象。从物理上来看，自散焦类似于自聚焦，差别是波前畸变被倒转了。然而，与自聚焦不同的是，此时光束的衍射总是平缓的。更一般地说，这种现象发生在具有的吸收介质中，激光引起的热效应所产生的自散焦称为热自散焦。趋向于使高斯光束产生一个强度更加均匀分布的光束，这种现象叫做光模糊效应。0/dTdn五、自散焦25六、光束的自陷当输入光束的自聚焦作用与衍射作用正好抵消时，光束会在介质中传播一段很长的距离而其直径无任何变化。但它不是一个稳定的状态，吸收或散射引起激光功率的任何很小的衰减就可破坏自聚焦和衍射之间的平衡。26从细丝区发射出来的光呈现出很强的谱加宽。从细丝输出的光束有一个自相位调制及其相应的频率调制：ltEncltnct22)()/()()/()(t/)(七、自相位调制27当光的群速度通过感应的而依赖于光强时，就可能出现脉冲的自突陡。如果是正的，脉冲峰值处折射率大，光速变慢，而在后沿处光强逐渐下降，光速逐渐增大，以致后面部分的光“赶上”前面部分的光，造成光脉冲后沿变陡的现象。如果为负值，相反可能会导致脉冲的前沿变陡的现象。nnn八、自突陡2829Z-SCAN实验装置--n2)3(3031/)1(leffeL32§5.2三次谐波(ThirdHarmonicGeneration-THD)1、耦合波方程求解：无论是中心对称或各向同性介质，均可能存在的三次谐波，来源于的三阶极化。设入射光场为沿Z轴传播，频率为的单色平面波：三次谐波场强为：对耦合波方程作慢变振幅近似,3)()()(),,,3()3()3(0)3(EEEP])([)()(zktieE])3(3[)3()3(zktieEzkz)()()(22zkz)3()3()3(2233则耦合波方程可简化为：将（为方向的单位矢量）代入(6.1-1a)得)11.5()3,()3(23)3(])3(3['3)3(0aekPcnizzkti)11.5(),()(2)(])(['1)3(0bekPcnizzkti])(33[3)3(0'3)3()(ˆˆˆ),,,3()3,(zktieeeekPeˆ)()(3)3()(ˆˆˆ),,,3()3(23)3(3)3(kkkeeeecnizzki34将写成，则令得为简便起见，做小信号近似(即波损耗很小)得)3(3ˆ)3()3(ezkieeeeecniz)(ˆˆˆ),,,3(ˆ)3(23)3(3)3(3eeeecnDˆˆˆ),,,3(ˆ)3(23)3(3zkieiDz)()3(30)()(z)21.5()2()2(sin)0,(),3(222622kzkzzDz0k223)0,(),3(DzIzI当时：352、实现三次谐波的介质I.晶体：（1）晶体中的激光损伤强度阈值较低，无法使用高强度的入射激光。（2）晶体中的双折射特性难以实现三次谐波所要求的位相匹配。)(1034)((1010~)(1094)((1010~)2(4)2(1311)2()3(8)3(2320)3(esuSISIesuSISI制）制）36所以，一般难以在晶体中直接实现三次谐波(THG)，方解石是目前唯一能直接实现THG相位匹配的晶体。目前实验结果：在4mm长方解石晶体中以的转换效率得到了三次谐波输出。II.