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1、非线性光学非线性光学非线性光学内容提要内容提要n n线性与非线性光学线性与非线性光学n n非线性光学的发展史非线性光学的发展史n n本课程的主要内容与大纲本课程的主要内容与大纲n n本课程的教学安排本课程的教学安排n n参考书参考书非线性光学线性光学与非线性光学线性光学与非线性光学n n激光问世之前，光学研究的基本前提是：激光问世之前，光学研究的基本前提是：n n介质的极化强度与光波的电场强度成正比；介质的极化强度与光波的电场强度成正比；介质的极化强度与光波的电场强度成正比；介质的极化强度与光波的电场强度成正比；n n光束在介质中传播时，介质光学性质的极化率光束在介质中传播时，介质光学性质的极
2、化率光束在介质中传播时，介质光学性质的极化率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；折射率是与光强无关的常量；折射率是与光强无关的常量；折射率是与光强无关的常量；n n光波独立传播。光波独立传播。光波独立传播。光波独立传播。n n在上述条件下研究光学问题称为在上述条件下研究光学问题称为线性光学。线性光学。 PcE 非线性光学线性光学与非线性光学线性光学与非线性光学线性光学的基本现象线性光学的基本现象线性光学的基本现象线性光学的基本现象光束在媒质中传播时，其频率固定不变；光束在媒质中传播时，其频率固定不变；光束传播方向、空间分布的变化来源于光的衍射、反射、折射光束
3、传播方向、空间分布的变化来源于光的衍射、反射、折射和干涉等效应。和干涉等效应。多束光在同一媒质传播时：不产生新的频率；各光束的相位多束光在同一媒质传播时：不产生新的频率；各光束的相位信息彼此不相互传递。信息彼此不相互传递。光束在媒质中传播时，媒质的主要光学参数：如折射率、吸收光束在媒质中传播时，媒质的主要光学参数：如折射率、吸收系数等，和光束的强度无关，只是光束频率和偏振方向的函数。系数等，和光束的强度无关，只是光束频率和偏振方向的函数。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一般成线性关系。非线性光学线性光学与非线性光学线性光学与非线性
4、光学n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非线性光学效应。 P P=c c c c(1)E E+c c c c(2)EEEE+c c c c(3)EEEEEE+非线性关系非线性关系光对媒质的作用媒质响应媒质响应非线性光学线性光学与非线性光学线性光学与非线性光学非线性光学：非线性光学：现代光学的一个分支，研究强相干光作用下产生的非线性现象及其应用 研究光和物质之间相互作用的非线性规律相互作用的非线性规律相互作用的非线性规律相互作用的非线性规律； 研究由此引发的各
5、种物理现象物理现象物理现象物理现象的规律。探索它们在当前或今后科学技术发展中的各种可能应用 非线性光学非线性光学的发展历史n1906年泡克耳斯发现线性电光效应；n1929年克尔发现二次电光效应。n由于缺乏光学频段非线性研究的必要条件，光学非线性的研究一直停滞不前。n非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。 非线性光学非线性光学的发展历史19611961年年年年FrankenFranken等人在等人在等人在等人在MichigenMichigen大学的实验大学的实验大学的实验大学的实验光学光学光学光学倍频倍频倍频倍频实验。实验。实验。实验。非线性光学这个新学科的出现！
6、非线性光学这个新学科的出现！非线性光学这个新学科的出现！非线性光学这个新学科的出现！非线性光学非线性光学的发展历史n n非线性光学非线性光学非线性光学非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期三个不同的时期三个不同的时期三个不同的时期n19611965年：非线性光学效应大量而迅速地出现非线性光学效应大量而迅速地出现非线性光学效应大量而迅速地出现非线性光学效应大量而迅速地出现：n光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸收、光束自聚焦以及受激光散射等。n19651969年：继续发现新的非线性光学效应继续发现新的非线性光学效应继续发现新的非线性光学效应继续发现新的非线性光学效应：非线性光
7、谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等；对已发现的效应进行更深入的了解，并发展各种非线性对已发现的效应进行更深入的了解，并发展各种非线性对已发现的效应进行更深入的了解，并发展各种非线性对已发现的效应进行更深入的了解，并发展各种非线性光学器件。光学器件。光学器件。光学器件。n1970年代至今：非线性光学日趋成熟，非线性光学日趋成熟，非线性光学日趋成熟，非线性光学日趋成熟，特点：n从固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效应研究；n由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至更高阶效应的研究；n由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究；n就时间范畴而言
8、，则由纳秒进入皮秒、飞秒领域。非线性光学非线性光学的发展历史19611961年年年年 Kaiser Kaiser 与与与与 Garrett Garrett：同时吸收两个光子，原子从基态跃同时吸收两个光子，原子从基态跃同时吸收两个光子，原子从基态跃同时吸收两个光子，原子从基态跃迁到激发态。迁到激发态。迁到激发态。迁到激发态。非线性光学非线性光学的发展历史若丹明6G染料 双光子荧光发射 1.06微米激光 含悬浮尘粒的酒精 倍频晶体 0.53微米的倍频光 非线性光学非线性光学的发展历史1962 1962 光学和频光学和频光学和频光学和频红宝石 硝基苯 受激拉曼散射现象受激拉曼散射现象受激拉曼散射现象
9、受激拉曼散射现象 非线性光学非线性光学的发展历史二甲亚砜液盒 0.53微米激光 散射光0.53um+SRS(斯托克斯)斯托克斯非线性光学非线性光学的发展历史19651965年：光学参量放大和振荡年：光学参量放大和振荡年：光学参量放大和振荡年：光学参量放大和振荡非线性光学非线性光学的发展历史n在受激拉曼散射的启示下，受激布里渊散射，受激瑞利散受激布里渊散射，受激瑞利散受激布里渊散射，受激瑞利散受激布里渊散射，受激瑞利散射射射射等也被观察到。基本建立了以介质极化和耦合方程为基础以介质极化和耦合方程为基础以介质极化和耦合方程为基础以介质极化和耦合方程为基础的非线性光学理论上世纪上世纪上世纪上世纪60
10、60年代初及中期，在上述非线性现象发现的同时年代初及中期，在上述非线性现象发现的同时年代初及中期，在上述非线性现象发现的同时年代初及中期，在上述非线性现象发现的同时以Bloembergen及他的学生为主非线性光学非线性光学的发展历史n布隆姆贝根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：n n物质对光波场的非线性响应及其描述方法；物质对光波场的非线性响应及其描述方法；物质对光波场的非线性响应及其描述方法；物质对光波场的非线性响应及其描述方法；n n光波之间以及光波与物质激发之间相
11、互作用的光波之间以及光波与物质激发之间相互作用的光波之间以及光波与物质激发之间相互作用的光波之间以及光波与物质激发之间相互作用的理论；理论；理论；理论；n n光通过界面时的非线性反射和折射的理论。光通过界面时的非线性反射和折射的理论。光通过界面时的非线性反射和折射的理论。光通过界面时的非线性反射和折射的理论。 非线性光学非线性光学的发展历史n n理论和实验相结合理论和实验相结合，一系列三阶非线性三阶非线性光学效应也相继发现。而且还发现：n只要有足够的光强，三阶非线性效应三阶非线性效应三阶非线性效应三阶非线性效应存在于所所所所有的介质有的介质有的介质有的介质中。n1962年，Askaryan在理
12、论上提出了实现自聚焦自聚焦自聚焦自聚焦的可能性，1964年被实验所验证。n70年代初，光学克尔效应光学克尔效应光学克尔效应光学克尔效应得到实验验证。n1976年，观察到由于折射率随光强变化产生的光学双稳态双稳态双稳态双稳态效应，从而开始了无论在物理上还是在应用上都是十分重要的非线性光学研究的一个分支：光学双稳态的研究。 非线性光学非线性光学的发展历史自聚焦现象自聚焦现象自聚焦现象自聚焦现象非线性光学非线性光学的发展历史为较低入射功率水平的情况下，无自聚焦效应产生 聚焦透镜所产生的几何焦点位于液盒中央部位 CS2液体盒 0.1ns绿激光 非线性光学非线性光学的发展历史较高功率水平，经过几何焦点后
13、光束自陷现象的出现 非线性光学非线性光学的发展历史F-P腔饱和吸收体I inI outI outI in光学双稳态光学双稳态光学双稳态光学双稳态非线性光学非线性光学的发展历史n70年代中期发现利用四波混频可以实现相相位共轭位共轭，这是非线性光学中一个重要的发现。非线性光学非线性光学的发展历史波前畸变理想波前探测器分辨率的下降探测孔径极限波前校正自适应光学四波混频四波混频四波混频四波混频可以很方便地实现波前校正非线性光学非线性光学的发展历史四波混频参量效应 ：0.6微米的两束超短(0.5ps)脉冲激光在充有CS2液体的1厘米长液盒内产生的前向相干辐射的近场图分布。 非线性光学非线性光学的发展历史
14、n n各种相干瞬态光学效应各种相干瞬态光学效应作为非线性光学的另一类，也在60及70年代初相继提出和实现。n64年预言并观察到光子回波光子回波；n67年发现了光学自感应透明光学自感应透明；n69年预言并观测到光学章动光学章动；n72年观察到光学自由感应衰减光学自由感应衰减。 非线性光学非线性光学的发展历史面积面积光子回波现象光子回波现象光子回波现象光子回波现象非均匀展宽非线性光学非线性光学的发展历史光学自感应透明光学自感应透明光学自感应透明光学自感应透明共振吸收媒质对光场呈现透明的效应：共振吸收媒质对光场呈现透明的效应：共振吸收媒质对光场呈现透明的效应：共振吸收媒质对光场呈现透明的效应：光脉冲
15、在媒质中传输时，形状和能量保持不变。光脉冲在媒质中传输时，形状和能量保持不变。光脉冲在媒质中传输时，形状和能量保持不变。光脉冲在媒质中传输时，形状和能量保持不变。 非线性光学非线性光学的发展历史光学章动：光学章动：透射光前沿的周期性振荡透射光前沿的周期性振荡 非线性光学非线性光学的发展历史光学自由感应衰减：光学自由感应衰减：后沿的周期性振荡后沿的周期性振荡 非线性光学非线性光学的发展历史n70年代开始非线性光学的应用研究：一方年代开始非线性光学的应用研究：一方面给非线性光学注入了持续发展的动力；面给非线性光学注入了持续发展的动力；另一方面研究成果进一步丰富了非线性光另一方面研究成果进一步丰富了
16、非线性光学的内容。学的内容。n扩展相干光源n倍频、和频、多倍频：蓝光、紫光、紫外光蓝光、紫光、紫外光蓝光、紫光、紫外光蓝光、紫光、紫外光n差频：红外激光红外激光红外激光红外激光n参量振荡：可见光、近红外、红外、远红外可调谐可见光、近红外、红外、远红外可调谐可见光、近红外、红外、远红外可调谐可见光、近红外、红外、远红外可调谐激光器激光器激光器激光器n受激Raman散射、四波混频、参量振荡（气体）：紫外光、真空紫外光可调谐激光器紫外光、真空紫外光可调谐激光器紫外光、真空紫外光可调谐激光器紫外光、真空紫外光可调谐激光器非线性光学非线性光学的发展历史n相位共轭技术n四波混频、受激Brillouin散射
17、n消除光束传播过程中的相位畸变，提高成像质量n消除激光器内元件的畸变及热效应，改善激光输出质量n光计算、光通信及光电子技术n光学逻辑器件（与、非、或、与非）n光调制器（半导体中的非线性等）n光存储器（光子回波时域相干光子存储 ）n光纤通信、光孤子、光学压缩态非线性光学非线性光学的发展历史n光谱与物质研究中的非线性光学方法（ 开创者：Bloembergen、肖洛激光光谱，1981年诺贝诺贝尔物理学奖尔物理学奖 ）n饱和吸收光谱n双光子吸收光谱n相干瞬态光谱n四波混频光谱n表面与表面吸收的探测非线性光学非线性光学的发展历史n我国非线性光学晶体材料处于国际领先地位，其中BBO和LBO两种晶体为我国所
18、发现并批量生长，它们性能优良，开创了激光紫外倍频的新纪元 。n世界上第一个“中国牌”的非线性光学晶体新材料偏硼酸钡晶体（BBO）于1984年问世，这是我们中国人的骄傲，是中国科学院福建物质结构研究所首创的非线性光学晶体新材料。(1953年12月才能生产玻璃)n倍频效率最高，抗光损伤能力最高，调谐宽度最宽的优质紫外倍频晶体。 非线性光学非线性光学的发展历史n激光器里用的最多的三种类型的非线性光学晶体是BBO、LBO和KTP。打开任何一台高级的激光器，里面用到的非线性晶体不外乎这三种。n各国研究的非线性光学晶体有几十种，但真正用到商品上的就这三种。 n前两种是中国发明的，第三种是美国杜邦公司发明的
19、，但足够大尺寸KTP也是在中国生长出来的。非线性光学非线性光学的发展历史1990年以来，非线性光学在如下领域取得了重大的进展：n飞秒区非线性光学性质的研究，以及飞秒化学和飞秒生物学；n有源、无源半导体器件在光通信中的应用；n光纤中的非线性光学，光孤子；n大容量、高速光存储nX激光器；n压缩态的实验进展；n非线性光学已经成为高科技，尤其是光电子技术、光子学、光子技术的基础非线性光学本课程的主要内容1、光和物质之间相互作用的非线性规律相互作用的非线性规律相互作用的非线性规律相互作用的非线性规律 系统讲述光与媒质相互作用的非线性理论光与媒质相互作用的非线性理论，重点：原子体系，分子体系，二能级系统、
20、半导体材料的非线性极化机理。2、非线性物理现象物理现象物理现象物理现象的规律 分析典型的非线性光学过程非线性光学过程，阐述主要非线性的物理过程、性质。3、应用技术 分析重要的非线性光学技术非线性光学技术：相位匹配与相位共轭。 分析非线性光学应用过程中的多重效应，重点阐述在非线性晶体、半导体光电子学及光纤通信中的研究方法及应用技术。非线性光学本课程的大纲n前言前言n原子介质的非线性极化率原子介质的非线性极化率n二能级近似下的非线性光学二能级近似下的非线性光学n分子介质的非线性极化率分子介质的非线性极化率n非线性光学折射率非线性光学折射率n半导体中的非线性极化半导体中的非线性极化n受激散射的非线性
21、极化受激散射的非线性极化 （光和物质之间相互作用的非线性规律：相互作用的非线性规律：相互作用的非线性规律：相互作用的非线性规律：30303232课时）课时）课时）课时）n非线性传输方程非线性传输方程n几种非线性效应的物理过程几种非线性效应的物理过程 （非线性物理现象物理现象物理现象物理现象的规律：1618课时）n非线性光学中的关键技术非线性光学中的关键技术n多重效应下的非线性多重效应下的非线性 （应用技术1416课时）非线性光学本课程的教学安排n课堂讲授与自学讲授与自学相结合，其中课堂讲授每周3课时，共16周；n总成绩中：平时作业平时作业平时作业平时作业掌握基础知识：占30；ProjectPr
22、oject调研前沿问题：占20；期终考试期终考试期终考试期终考试系统综合的能力；分析问题，解决问题的能力：占50。n考试方式：开卷；非线性光学本课程的教学安排nProject推荐的、但不限于的方向：推荐的、但不限于的方向：n n量子信息技术量子信息技术量子信息技术量子信息技术( (量子计算、量子通信、量子密匙量子计算、量子通信、量子密匙量子计算、量子通信、量子密匙量子计算、量子通信、量子密匙) )n n光子晶体光子晶体光子晶体光子晶体n n有机分子有机分子有机分子有机分子n n纳米结构纳米结构纳米结构纳米结构n n光纤参量、拉曼放大器光纤参量、拉曼放大器光纤参量、拉曼放大器光纤参量、拉曼放大器
23、n n光纤传输系统光纤传输系统光纤传输系统光纤传输系统n n光网络光网络光网络光网络n n半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件n n光存储光存储光存储光存储非线性光学本课程的教学安排n nProject的基本要求：的基本要求： n研究意义、国内外发展现状。n所涉及的学术问题、研究方法及研究成果。n思路清晰，结论正确。n参考文献齐全。非线性光学本课程的教学安排n报告上交的截止时间截止时间：第12周上课前。非线性光学参考书n nY. Guo, Nonlinear Photonics (Y. Guo, Nonlinear Photonics (本课程的主要参考书本课程的主要参考书本课程的主要参考
24、书本课程的主要参考书) )n nW.Boyd, Nonlinear opticsW.Boyd, Nonlinear opticsn nE. Garmire, Nonlinear optics in semiconductorsE. Garmire, Nonlinear optics in semiconductorsn nG. P. Agrawl, Nonlinear fiber opticsG. P. Agrawl, Nonlinear fiber opticsn n过已吉，非线性光学，西北电讯工程学院出版社过已吉，非线性光学，西北电讯工程学院出版社过已吉，非线性光学，西北电讯工程学院出版社
25、过已吉，非线性光学，西北电讯工程学院出版社( (石庆祥石庆祥石庆祥石庆祥 ) )n n沈元壤，非线性光学，科学出版社沈元壤，非线性光学，科学出版社沈元壤，非线性光学，科学出版社沈元壤，非线性光学，科学出版社n n王奎雄，非线性光学，国防工业出版社王奎雄，非线性光学，国防工业出版社王奎雄，非线性光学，国防工业出版社王奎雄，非线性光学，国防工业出版社n n范琦康，非线性光学，江苏科学技术出版社范琦康，非线性光学，江苏科学技术出版社范琦康，非线性光学，江苏科学技术出版社范琦康，非线性光学，江苏科学技术出版社n n费浩生，非线性光学，高等教育出版设费浩生，非线性光学，高等教育出版设费浩生，非线性光学，高等教育出版设费浩生，非线性光学，高等教育出版设n n熊贵光，非线性光学，武汉大学出版社熊贵光，非线性光学，武汉大学出版社熊贵光，非线性光学，武汉大学出版社熊贵光，非线性光学，武汉大学出版社n n叶佩弦，非线性光学，中国科学技术出版社叶佩弦，非线性光学，中国科学技术出版社叶佩弦，非线性光学，中国科学技术出版社叶佩弦，非线性光学，中国科学技术出版社n nPaul N., The elements of nonlinear opticsPaul N., The elements of nonlinear optics非线性光学
