晶体中的非线性光学效应

第六章晶体中的非线性光学效应内容提要线性与非线性光学倍频效应与光整流混频效应光折变效应光学双稳态线性光学激光问世之前，光学研究的基本前提是：介质的极化强度与光波的电场强度成正比；光束在介质中传播时，介质光学性质的极化率/折射率是与光强无关的常量；光波独立传播。在上述条件下研究光学问题称为线性光学。非线性光学效应对很强的激光，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。P=c(1)E+c(2)E^2+c(3)E^3+…非线性关系光对媒质的作用媒质响应内容提要线性与非线性光学倍频效应与光整流混频效应光折变效应光学双稳态倍频效应假定频率为ω的基波射入非线性介质,由于二次非线性效应,将产生频率为2ω的二阶非线性极化强度,该极化强度作为一个激励源将产生频率为2ω的二次谐波辐射,并由介质输出,这就是二次谐波产生过程,或倍频过程。倍频效应011cosEEt假如一束单色光入射到非线性介质上，入射光表示为：二阶非线性项为：(2)20011(cos)effPEtc倍频效应010(2)21(1cos2)2effPEtc由上式可以看出，等式右边第一项表示直流项，由该项的存在，在介质表面分别出现正的和负的面电荷，形成了与入射光强成正比恒定电位差。这个效应被称为光整流效应。光整流效应是一种特殊的非线性光学效应，脉冲激光和非线性介质的相互作用而产生低频电极化场（THz）的过程。这种低频电极化场可以产生超快电磁波辐射。上式右边第二项代表了频率等于入射光频率两倍的电偶极矩，它将辐射出二次谐波。这个效应被称为倍频效应。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。倍频效应相位匹配式中(3.5-1)设介质对基波和二次谐波辐射的折射率为n1和n2又设基波光电场表示式为相位匹配推导相位匹配条件相位匹配相位匹配()()221212222sin)(2sinnnLnnckkLI22sinc2kLI相位匹配①由于介质的色散效应使总的二次谐波强度输出很小0k相位匹配0k相位失配③②212121,20nnkkk相位匹配条件相位匹配图KDP晶体折射率曲面通过光轴的截面m＝50.4°z(光轴)波的传播方向寻常二次谐波寻常基波非常基波非常二次谐波O相位匹配212222)2(sin)2(cos),2()(emommeonnnn)2(1)2(1)2(1)(1sin22222oeoomnnnnkm内容提要线性与非线性光学倍频效应与光整流混频效应光折变效应光学双稳态混频效应011022coscosEEtEt假如有两束不同的单色光入射到非线性介质上，入射光表示为：二阶非线性项为：(2)20011022(coscos)effPEtEtc两束或两束以上不同频率的单色强光同时入射到非线性介质后，通过介质的两次或更高次非线性电极化系数的耦合，产生光学和频与光学差频光波的现象。混频效应010200(2)221200102120010212(1cos2)(1cos2)...22...cos()cos()effeffeffeffPEtEtEEtEEtcccc由上式可以看出，除了直流和倍频项，还出现了频率ω1+ω2和ω1-ω2的振荡偶极矩，他们将辐射出相应频率的光。又分别称为光学和频与差频。二阶混频来源于介质在两束入射光同时作用下产生的二阶非线性极化，即极化强度中频率为ω1+ω2及ω1-ω2的部分。这两部分极化强度相当于两种频率分别为ω1+ω2和ω1-ω2的振荡电偶极矩。两束入射光与介质作用的结果，在介质中激励起分别具有这两种振荡频率的两个偶极矩阵列。此阵列的辐射分别就是和频光与差频光。内容提要线性与非线性光学倍频效应与光整流混频效应光折变效应光学双稳态光折变效应是光致折射率变化效应的简称。在线性光学中，介质的折射率仅是光频率的函数，而与光强度无关。弹载非线性光学中，介质的折射率不仅与光频率有关还与入射光强度有关。这一效应被称为光折变效应光折变效应光折变效应303()PEEcc高强度激光在各向同性介质中传播0DEP0rDE231rEccrn223311(1)1rEnEccccc光孤子在光学中,就本身性质而言,具有一定时间宽度的光脉冲在线性色散介质中传播时,通常会被展宽;当光纤的线性色散效应和非线性自相位调制效应达到平衡时,光纤中可传播无色散的光脉冲,由于这种光脉冲沿时间轴传播时脉冲宽度保持不变,因此被称为时间光孤子激光光束在横截面上强度分布呈高斯型，中间强，四周弱。因此当激光束通过该类介质时，由光强感生的折射率变化，使中间部分折射率大于四周，会使光束汇聚，形成自聚焦现象。当非线性介质的自聚焦(或自散焦)效应与光束的衍射发散作用相平衡时,在介质内无衍射地向前传播，这种不扩散的光束被称为空间光孤子。位相共轭波()1(,)().2itkzErtErecc*()1(,)().2itkzpcErtErecc一、定义：复振幅互为共轭的两列光波。如：沿z方向传播的两列波：二、特点：背向互为相位共轭的两列波之间互为时间的反演位相共轭波位相共轭波四波混频光学混频实现相位共轭波的方法：四波混频三列不同频率的光在三阶非线性光学介质中传播，考虑频率分别为的三列波其中四波混频当它们入射在三阶非线性光学介质上时，其三阶非线性极化：共包含216项，其中分量含有六项，即它将产生第四列光波(3)03123()PEEEc(3)4123()P相应的光矢量为4123kkkk四波混频由于和传播方向相反，所以120kk1E2E则激发产生探测光的共轭波为3E3*34123exp[()]..EEEEikrtCC全息再现位相共轭应用位相共轭应用内容提要线性与非线性光学倍频效应与光整流混频效应光折变效应光学双稳态光学双稳态光学双稳态如果一个光学系统在给定的输入光强下，存在着两种可能的输出光强状态，而且可以实现这两个光强状态间的可恢复性开关转换，则称该系统具有光学双稳态。光学双稳态光学双稳性的特征曲线特征：突变性两状态间的快速开关转换,这种两状态间的快速转换特性，起源于正反馈作用在输入光强(I)的某个范围内对应每一输入光强I有两个可能输出光强(I0)a和b，它依赖于系统所处的历史状态。当输入光强从低值逐渐增加时，系统处在低态b，当输入光强从高值减小时，系统处在高态a.光学双稳态光学系统具有双稳态的条件：系统必须是非线性的；系统中要有反馈机制。最简单的光学双稳器件是在F-P光腔中放置一块非线性介质构成的。双稳电光调制器光学双稳态引入透射率对于未加反馈的电光晶体，由电光效应引起的相位差和从检偏器投射出的光强分别为：dlUno6332存在反馈时有：20sin2tII0iI201sin[()]2iTI光学双稳态光学双稳态