非線性光學(xué)簡介

1、* 非線性光學(xué)簡介（nonlinear optics）圖為中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研制的非線性光學(xué)晶體三硼酸鋰，被美國評為1989年度國際激光與光電子技術(shù)領(lǐng)域十大產(chǎn)品之一1 弱光在介質(zhì)中符合疊加原理 線性光學(xué)強光在介質(zhì)中不符合疊加原理 非線性光學(xué) P與 E 成線性關(guān)系式中 對各向同性介質(zhì)極化強度 介質(zhì)的電極化率 當(dāng)電場強度 E 不太大時（弱光）*非線性光學(xué)簡介2 當(dāng)電場強度 E 很大時（強光） E 和 P 呈非線性關(guān)系 線性極化率 二次（階）非線性極化率 三次（階）非線性極化率可以證明，各次極化率間有如下關(guān)系：各向異性介質(zhì)中，極化率是張量，P 和 E 的關(guān)系較復(fù)雜，這里不再做介紹。E原子

2、1010 V/m3 對普通光 E 10 4 V/m，高階項不重要，只留第一項，是線性效應(yīng)。 對激光 E 可很容易達(dá)到并超過10 8 V/m出了各種非線性效應(yīng)。此時第二項就不能忽略了，此時展迅速，并很快形成為一個專門的新興的學(xué)科。1961年弗蘭肯（P.A.Farnken）等首先觀察到光學(xué)倍頻這一非線性現(xiàn)象。此后，非線性光學(xué)發(fā)介質(zhì)就表現(xiàn)4下面舉例介紹幾種常見的非線性光學(xué)現(xiàn)象：一. 倍頻效應(yīng) 由極化強度 P 中的第二項0（2）E 2引起的 若 E =E0 cos t， 第二項 0（2）E 2 = 0（2）E02 cos2 t = 0（2）E02/ 2（1+cos2 t）第一項 0 （1）E = 0（

3、1）E0 cos t直流成分二倍頻原有頻率二階非線性效應(yīng)：則5 光整流效應(yīng)： 二倍頻現(xiàn)象： 用途廣 使不可見光可見光（改變光顏色）； 可提高產(chǎn)生所需頻率激光的效率。釹易獲高功率應(yīng)用：例如：P 中的直流成分表明，光照晶體可在晶體的某兩個表面間產(chǎn)生直流電壓。不可見可見 Nd3+ 激光器1.064m 0.532m 綠光頻倍脈沖紅寶石激光器水晶片3471.5 6943 棱鏡演示激光倍頻（KG045）6由二極管泵浦的Nd:YAG激光器產(chǎn)生的二倍頻激光（532nm）裝置 （采用自調(diào)Q、腔內(nèi)倍頻技術(shù)，清華大學(xué)物理系研制）7 設(shè)輸入兩束光 ，角頻率為 1 、 2 總場強 E = E10 cos 1 t + E

4、20 cos 2 t（2）E2 = （2）（E10 cos1t + E20 cos2t）2二. 混頻效應(yīng)= （2）E102 /2（1+cos21t）+ +（2）E202 /2（1+cos22t）+ +（2）E10 E20 cos(1+2)t + cos(1-2)t 和頻項差頻項則二次項：倍頻項8 2 1激光器1激光器2 晶體（KH2PO4） 2 1 1+ 2 1 22 22 1 1 2波區(qū)的強光輻射。 1- 2 122 12 2 1+ 2和頻與差頻能獲得更多頻率的相干強光輻射。例如，利用和頻可產(chǎn)生可見光至紫外的強光輻射，而用差頻則可產(chǎn)生波長較長的紅外至亞毫米段微9收系數(shù)為0，從而使本來不透明的

5、物質(zhì)變得透明三 . 光致透明和光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)激光很強時，物質(zhì)的吸收系數(shù)會與光強有關(guān)。強光可使物質(zhì)分子的一半處于激發(fā)態(tài)，物質(zhì)的吸收系數(shù)正比于上、下能級粒子數(shù)差。光致透明。 在電磁學(xué)中，磁滯回線（即 BH 曲線）有 此時吸 非線性光學(xué)中也有類似于磁滯回線的現(xiàn)象：非線性性質(zhì)，利用它可以制作記憶元件。10I0 為入射光強 I 為透射光強 0透明不透明透射光的光強有兩種穩(wěn)定狀態(tài)入射光強與透射光強間具有滯后回線的特性。在 I0 和 I0 區(qū)間內(nèi)，每一入射光的光強所對應(yīng)的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)。光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件有可能用在：邏輯元件等方面。高速光通訊、光學(xué)圖象處理、光學(xué)限幅器、光存儲以及光學(xué) 非線性電光晶體I0I法布里 珀羅腔11半導(dǎo)體制成的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件有如下特點： 尺寸小：直徑幾 mm 厚度101 102m 功耗低：10 W/m2 1 W/m2 開關(guān)時間短： 10 - 12 s它有可能成為未來的光學(xué)計算機(jī)的邏輯元件。當(dāng)前光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)已成為非