关于“非线性光学效应”的综述

大连理工大学关于“非线性光学效应”的综述学院：物理学院专业：光电信息科学与工程班级：物光1501学号：201521014姓名：徐企阳日期：2018年4月13日2目录1绪论....................................................................32发展历史................................................................43基本理论................................................................63.1概述................................................................63.2非线性光学效应......................................................73.2.1光学变频效应....................................................73.2.2光的受激散射效应................................................73.2.3光学相位共轭效应................................................93.2.4光学双稳态效应..................................................93.2.5光学孤子.......................................................103.3理论模型...........................................................103.3.1双能级模型......................................................113.3.2电荷转移模型....................................................113.3.3阴离子基团理论.................................................113.3.4双重基元结构模型...............................................123.3.5二次极化率矢量模型.............................................123.3.6簇模型理论.....................................................124目前发展状态...........................................................144.1非线性光学效应在材料科学中的应用发展...............................144.2非线性光学效应在光纤通信中的应用发展...............................155应用领域...............................................................166结束语.................................................................1631绪论非线性光学是现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下出现的与介质的非线性极化相联系的各种光学效应，以及如何利用这些效应的学科。美籍华人学者、非线性光学专家沈元壤先生用这样一句话来叙述非线性光学：“混沌初开，世界就是非线性的。线性化简化了复杂的世界，把世界线性化损失了许多有趣的现象，而非线性现象是世界进展的因素”。过去的光学理论认为，介质的极化强度与入射光波的场强成正比。于是，表征物质光学性质的许多参数，如折射率、吸收系数等都是与光强无关的常量。普遍的光学实验证实，单一频率的光通过透明介质后频率不会发生任何变化，不同频率的光之间不会发生相互耦合作用。激光出现后的短短的几年内，人们观察到许多用过去的光学理论无法解释的新效应。为了解释这些新效应，产生了非线性光学理论。非线性光学不仅从理论上丰富了人们对光与物质相互作用的认识，而且已经得到广泛的实际应用。非线性光学的研究在激光技术、光通信、信息和图像的处理与存储、光计算等方面有着重要的应用，具有重大的应用价值和深远的科学意义。例如，光倍频、光参量振荡、受激喇曼散射已成为产生新频率相干辐射的一种有效方法；利用非线性饱和吸收已制成染料Q开关和被动锁模元件。此外，它在激光光谱学、同位素分离、光控化学反应、核聚变、集成光学、信息光学、光学计算机等方面都有重要的作用。42发展历史早在公元前五、六世纪，人们对光学现象就已经开始有所认识了。但是，一直到本世纪50年代，人们对光学现象的认识还只是停留在线性光学范围内，虽然在电学和磁学中的非线性现象，从麦克斯韦时代起就已知道了，如铁磁体中磁化的饱和、无线电波的整流等就是熟知的例子。可是在光学波段内的非线性现象，只是在1960年激光问世以后，才成为具有实际内容的学科。1961年，Franke等人所做的二次谐波产生的实验，实际上标志着非线性光学的诞生。一般说来，非线性光学现象涉及到光与物质的非线性相互作用，包括诸如光感生介质光学性质的变化等问题。其实，二次谐波产生并不是第一个被观测到的非线性光学现象。光学泵浦无疑是在激光问世以前就已为人们知道的一种非线性光学现象。但因非线性光学现象的观测需要有较强的相干光，而激光正是这种光。所以，自1961年以来，各种二阶非线性光学现象和三阶非线性光学现象都相继被人们观测到了。他们是：1962年，Armstrong从理论上预言了光整流现象。同年，Bass等人首先从实验上观察到了这一现象。此外，他们还首先在硫酸三甘氨酸晶体中观察到了光的和频现象；1962年，Woodbury从实验上首次观测到了光的受激拉曼散射；1963年，Hopfield等人第一次从实验上观测到了双光子吸收现象；1964年，Chiao用红宝石激光在石英中观测到了受激布里渊散射；1965年，在实验中首先证实了光参量放大，接着在1967年，就实现了光参量振荡1967年，New和Ward首先在原子气体中实现了三次谄波产生；1967年，Zaitsev等人首次观测到了受激瑞利散射。这些非线性光学现象的出现，不仅极太地增长了人们关于光与物质相互作用的知识，而且也促使光学技术产生了革命性的变化，并且已经或正在对光学这门古老学科的复兴作出重大的贡献。70年代以后非线性光学现象又有了新的发展——从经典非线性光学发展到非经典非线性光学；1970年，Chandra等人首次预言了反聚束效应；1977年，就从实验上观察到了反聚束效应这一非经典的非线性光学效应；1976年，Yuan提出了光学压缩态；1986年，首次在实验上观测到了光学压缩态。此外，还在实验上观察到了光子的亚泊松分布现象。80年代以后，进一步发现新现象，更多的研究是将已知效应应用到各个新技术领域：�光学自适应技术；5�光学集成元件和光学计算机；�光学信息存储与实时全息显示技术；�光学混沌；�光纤通信：相干光纤通信、电光效应光调制器、光孤子通信(光Kerr效应—自相位调制、交叉相位调制)、Raman放大器、Raman孤子激光器、利用四波混频进行波长变换、超短脉冲的产生(压缩)与测量。�发现非线性光学新材料：新晶体、有机物材料、半导体材料非线性光学的发展简史给了人们以极大的启示，世界上的一切介质都是非线性光学介质。特别是非经典非线性光学的问世，再一次表明了人类对光的本性的认识，无论是在广度上还是在深度上都还远没有完结。我们相信，在不久的将来，各种非线性光学现象都将在其他科学技术和工业生产中大放光彩。63基本理论3.1概述非线性光学(nonlinearoptics,NLO)是现代光学的一个新领域,是研究在强光作用下物质的响应与场强呈现的非线性关系的科学,这些光学效应称为非线性光学效应。在众多的非线性光学效应中,倍频效应(又称二阶非线性光学效应)是最引人注目也是研究得最多的非线性效应。1961年Franken等人利用红宝石激光器获得的相干强光(λ=694。3nm)透过石英晶体时,产生了λ=347。2nm的二次谐波,其光波频率恰好是基频光频率的两倍,即所谓的倍频效应,从而开创了二阶非线性光学及其材料的新领域。自发现倍频效应以来,非线性光学领域吸引了大批科技工作者,使这一学科得到了空前的发展,在30多年后的今天,非线性光学已经发展成为以量子电动力学、经典电动力学为基础,结合光谱学、固体物理学、化学等多门学科的综合性学科。当较弱的光电场作用于介质时,介质的极化强度P与光电场E成线性关系:P=ε0χE(1)其中ε0为真空介电常数,χ为介质的线性极化系数。当作用于介质的光为强光(如激光)时,介质的极化将是非线性的,在偶极近似的情况下,原子或分子的微观极化关系可表示为:P=αE+βE2+γE3+……(2)其中第一项为线性项,第二项以后为非线性项,α为分子的线性光学系数(一阶非线性光学系数),β、γ分别为分子的二阶和三阶非线性光学系数(又称分子的二阶或三阶极化率),它们是描述分子的非线性性质的重要物理量。当外电磁场E足够强时,这些高次项不能再被忽略,也就是说,极化强度与光电场不再是线性相关,而是非线性关系了。类似地,对于一个由多个原子或分子组成的宏观样品来说,外部光电场作用产生的极化强度可表示为:P=χ(1)E+χ(2)E2+χ(3)E3+……(3)其中χ(n)的含义与(2)式中的α、β、γ类似。在各非线性效应中,对二阶非线性效应的研究进行得最早最深入,应用开发也最为广泛。73.2非线性光学效应3.2.1光学变频效应不同频率的光波之间进行能量变换,引起频率转换的各种混频现象叫做光学变频效应。光学变频效应包括由介质的二阶非线性电极化所引起的光学倍频、光学和频与差频效应、光学参量放大与振荡效应,还包括由介质的三阶非线性电极化所引起的四波混频效应。以光学倍频效应为例说明光学变频效应。假设入射光的光场为tEEcos0，若晶体的二阶非线性极化率2不为零,则取前两项电极化强度为tEEtEtEtEEEP2cos2121coscoscos)(20022002001220020012210（4）式中第一项激发出频率不变的出射光波,第二项导致光学整流,第三项则导致二次谐波,即产生了倍频光。光学倍频现象的实质,是在非线性介质内两个基频入射光子的湮灭和一个倍频光子的产生,如图1所示。整个过程由两个阶段组成:第一阶段,两个基频入射光子湮灭,同时组成介质的一个分子(或原子)离开所处能级(通常为基态能级)而与光场共处于某种中间状态(用虚能级表示);第二阶段,介质的分子重新跃迁回到其初始能级并同时发射出一个倍频光子。由于分子在中间状态停留的时间为无穷小,因此上述两个阶段实际上是几乎同时发生的,介质分子的状态并未发生变化,即分子的动量和能量守恒。图1光倍频的量子跃迁图解以上各种非线性光学变频效应是目前比较成熟的相干光变频手段。当入射激光满足相位匹配条件(即动量守恒条件)且其中一种为可调谐时,可通过这些效应获得高频率可调谐变频相干光输出。另一方面,相干光混频效应也为人们提供了一条研究物态结构、分子跃迁和凝聚态物理过程的新途径。当前,带有二倍频器、三倍频器和四倍频器的固体激光器和光参量振荡器作为独立元件已很容易获得,并在许多系统(如光刻照相和材料处理)中得到运用。3.2.2光的受激散射效应光通过介质时都有一部分能量偏离预定的方向而向空间其他方向弥散开来,这种现象叫光的散射。8激光出现以后,以单色高亮度的激光作为入射光束,不但使光的散