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1、同学们好！,第2页 共25页,第三节 非线性光学简介,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产生的非线性现象及其应用。普通光学是线性的。,1960年梅曼(T.H.Maiman)发明第一台激光器之前，描述普通光学现象的重要公式常表现出数学上的线性特点:,入射光矢量,介质的极化率,光入射透明介质，颜色不发生变化。,电极化强度矢量,电极化强度矢量P 为解释介质的吸收、折射、散射和双折射等现象而引入的一个重要物理量。,普通光学现象：,遵从光的独立性原理和叠加原理。,第3页 共25页,一、非线性光学由来,1961年弗兰肯(P.A.Franken)发现，将红宝石激光器输出的波长为694n
2、m的红光射到石英晶体上，在透射光中除694nm的红光外，还出现了波长为347nm的倍频紫外光。,1. 二次谐波实验,光的倍频效应实验动画模拟,二次谐波实验意味着非线性光学已揭开序幕,第4页 共25页,2. 强光与介质相互作用,线性项,非线性项,非线性项,强光下，P 和 E 之间不再是线性关系，而是非线性关系，于是出现了许多非线性效应。,第5页 共25页,1 非线性光学相互作用,强光下，电极化强度 随时间变化，成为新的电磁场源。,当 时，介质中的电荷被加速而向外辐射电磁波，正是这种新的电磁场源激发出非线性光学效应！,3. 强光下非线性的产生机制,第6页 共25页,倍频的产生相当于两个频率为的光子
3、湮灭后，产生一个频率为2的光子。,二、非线性光学效应,第7页 共25页,红光650nm为倍频光，蓝光433nm为三次谐波,铌酸锂波导实验中产生二次和三次谐波,第8页 共25页,(a)绿光，泵浦波长1000nm,(b)蓝光，泵浦波长780nm,铌酸锂波导实验中的两种二次谐波输出,第9页 共25页,2. 自聚焦与自感应透明,入射光为 , 在强光作用下出现三阶非线性极化强度,三倍频的产生相当于三个频率为 的光子湮灭，产生一个频率为 3 的光子。,第10页 共25页,1) 自聚焦现象产生的机理,非线性介质的折射率：,折射率,非线性折射率,光强,这种依赖于光强的折射率使得平行光束进入介质后出现类似于平行
4、光通过凸透镜时发生会聚的现象，称之为光束的自聚焦。,第11页 共25页,1964年，伽密尔等人所做的自聚焦实验,液体CS2,自聚焦往往是不受欢迎的：光功率密度非常高，它产生的强大电场使介质内的原子、分子发生电离，造成电击穿，在介质内留下一条条的“伤痕”。,光强 临界值时，光束很快收缩成一根细光丝！,第12页 共25页,2) 自感应透明现象,通常氨气体强烈吸收波长为10.6m的光。,强短脉冲通过介质时，介质几乎不吸收其能量，脉冲 形状也不发生变化 自感应透明。,但是用脉冲宽度为2ns的光束照射时，它对 10.6m的红外光几乎不吸收。,自感应透明的物理过程,脉冲的前半部：,与“大电偶极矩”相互作用
5、，诱发它发生感应辐射。,被介质原子吸收，形成大量感应电偶极子，在介质内建立起“大电偶极矩”。,脉冲的后半部：,第13页 共25页,光脉冲电场的包络面积：,入射光脉冲前半部分被介质吸收的能量，在后半部分到来时，再以相干辐射形式发射出来。,第14页 共25页,1928年印度物理学家拉曼(C.V.Ramann)等在观察频率为 的单色光被苯等液体物质散射时，发现散射光中除有频率 不变的瑞利散射光外，还有：,拉曼获1930年诺贝尔物理学奖,3. 受激拉曼散射,频率变小为 s= -v 的极弱散射光。,频率变大为AS= +v 的极弱散射光。,第15页 共25页,自发拉曼散射：,1962年伍德伯里(E.J.W
6、oodburg)和恩(W.K.Ng)发现。,当入射光束是很强的相干激光光束时，有可能产生受激拉曼散射。,散射光强Is的增加正比于入射光强Ii； 散射光是不相干的。,受激拉曼散射：,1) 拉曼散射现象,第16页 共25页,积分得散射光强Is 随距离x增长的情况：,受激拉曼散射光具有很高的空间相干性与时间相干性其强度也比自发拉曼散射光大得多。,入射光强,入射距离,强相干激光入射，散射光强Is 的增加正比于Ii 和Is 的乘积：,3) 受激拉曼散射的光强,受激拉曼散射光强类似于激活介质中的光放大过程。,第17页 共25页,受激拉曼效应：获得多种新波长的相干辐射。,分子结构的研究。 测量分子瞬态寿命。
7、 测量相干时间。 测量大气污染等。,受激拉曼散射应用,4) 受激拉曼散射应用,受激拉曼散射谱几乎覆盖整个可见光谱,第18页 共25页,受激拉曼散射设备,第19页 共25页,4. 非线性介质中的光学双稳态现象,一束激光入射到非线性介质，其透射光强：,介质厚度,吸收系数,第20页 共25页,介质变得几乎无吸收，出射光强几乎与入射光强一样大,吸收系数与入射光强有关：,当入射光强很强时，介质出现非线性吸收现象,饱和吸收系数,当入射光强度很强时：,第21页 共25页,法布里-珀罗共振腔,饱和吸收介质,Iout,Iin,光学双稳态,Iout,高投射状态,低投射状态,光学双稳态动画演示,第22页 共25页,
8、高速光通信 光学图象处理 光存储 光学限幅器以及光学逻辑元件,光学双稳态装置或器件,半导体材料制成的光学双稳态器件: 尺寸小，功率低，开关时间短(10-12 s),未来光计算机的逻辑元件,第23页 共25页,5. 双光子吸收,物质原子或分子在一次跃迁中同时吸收二个光子。,在线性光学中，吸收截面是一个常数，与光强无关；,入射光为强光时，吸收截面 与入射光强 I 成正比：,双光子吸收系数,Kaiser和Garnet于1961年首次实验证实双光子吸收。,波长694nm的激光照射，产生波长425nm的荧光。,双光子吸收的原子跃迁率为,第24页 共25页,在许多固体材料中存在许多发光中心，这些中心可能是
9、缺陷、杂质等，当用某一频率的激光照射上述固体材料时，某些处于特定环境的发光中心将被激发，而处于其他环境中的发光中心不被激发。这意味着在非均匀展宽的吸收谱线上，对应该频率处产生一个吸收凹陷，即所谓光谱烧孔。,6. 光谱烧孔效应,改变激光频率，激发另一些发光中心，又可在另一频率处出现光谱烧孔； 被烧的孔宽为该中心的均匀展宽线的宽度。,材料在孔对应的频率附近的光学常数将发生显著改变 一种巨非线性光学效应。,第25页 共25页,当用烧孔的单频激光扫描照射“烧”过孔的样品时，被“烧孔”的发光中心基态已不再有电子，因此不可能再被激发吸收。这种状态相当于信息的“0”位。 而没有被“烧孔”的发光中心则仍可能被激发吸收，相当于信息的“1”位。,利用光谱烧孔效应，可作大容量的信息存储。,改变激光的频率，可以在同一位置点上存入不同的信息位，在同一位置点上可重复存入的信息数取决于介质非均匀展宽谱线上可“烧”孔的数目总和。 利用这种光子门“烧孔”的方法可以成百倍，甚至上千倍地提高存储的信息位数。,频率畴光存储：,利用以下两种状态存储信息：,
