光子学简介浅析.ppt

第九章 光子学简介 第九章 光子学简介 9.1 光子学与电子学 9.2 光学中的非线性现象 9.3 光学双稳态和光计算机 本章要求: 1.了解光子学与电子学的异同 。 2.了解光学中的非线性现象。 3.了解光学双稳态和光计算机的基本知识 。 第九章 光子学简介 9.1 光子学与电子学 一、定义 电子学：研究并应用电子运动规律的科学，它包括研 究电子产生的方法和电子运动的规律以及实际应用中 控制它的方法。 光子学：研究并应用光子运动规律的科学，它包括研 究光子产生的方法和光子运动的规律以及实际应用中 控制它的方法。 二、电子学与光子学的相似性 1、相干性：利用各种电磁振荡产生的各种无线电波， 都具有较好的相干性，同样，由谐振腔产生的激光具 有良好的相干性。 2、调 制：电子学中能对正弦波进行幅度、频率和相 位调制；在光子学中，通过光电、声光和磁光等效应 可对光波进行幅度、频率和相位调制。 电子学中有许多概念、原理等，在光子学中都有其对应物。 3、倍频和混频：电子学中有倍频和混频，在光学中利 用石英晶体的非线性对光波进行倍频和混频。 4、雷达：雷达是电子学发展的结果，现在可以用短波 长和脉冲持续时间十分短的激光构成激光雷达。 左至右：车载雷达，机载雷达，预警雷达。 1) 电子学：在电学基础上发展起来的，电磁学上麦克 斯韦方程组的建立并从理论上预言了电磁波的存在， 另一方面电报电话以及电灯的发明为电子学的产生做 了准备，后来电子管的发明，标志电子学的诞生，随 后出现电子技术，并发展成电子工业。 2)光子学：在光学基础上发展起来的，随着激光产生和在科学技术及其他领域的应用，诞生了光子学，人们对光子进行各种控制和应用的研究，出现了光子技术，随着光纤通信，激光加工等技术发展，开始形成光子工业。 5 、发展状况 9.2 光学中的非线性现象 在高强度的光场作用下，介质的极化将随电场非 线性地变化，这时，极化强度不仅与电场的一次方有 关，还与电场的平方、三次方等有关，即 是线性极化率， 分别是二阶和三阶非线性极 化率，它们逐次减少，数量级之比为 Ea是原子中电场，数量级约为108V/cm。 一、二次谐波产生 设角频率为 的单色光入射到非线性介质上，此时 单色波场强可以表示为: 考虑P的二阶非线性项，则有 出现了二倍频项cos2ωt，即二次谐波，如果是更高次 的非线性项，则会导出更高次的谐波。 二、光混频 设输入到非线性介质的是两种不同频率的单色光， 即 可知除直流成分和二倍频外，还出现了和频项与差频 项，这种现象称为混频现象。 则 三、光致折射率效应 线性光学中，介质的折射率只是光频率的函数而与 光的强度无关，但在非线性光学中，介质的折射率不仅 与光频率有关，还与光的强度有关，这种现象称为光致 折射率效应。假定光强很大，对各向同性介质，P是E的 奇函数，取P中的前两项： 折射率为 可见，在强光作用下，介质折射率与光的强度有关。 四、光学孤子 1834年，英国科学家Russell在郊外骑马时观察到水渠中发生种奇妙现象：“两匹马拉着水渠中急速行进的船突然停下后，在船前激起一个孤立的水波峰，保持原来的形状以巨大的速度向前前进了两千多米。 1973年，理论上证明了光脉冲在光纤介质中遵从非线性薛定谔方程时能形成孤子。1980年在实验中观察到光孤子，光孤子在光纤中传播时不变形，可作光通讯中的载体，实现长距离的传输，但光纤中的损耗会因能量损失而改变形状，目前已经研制出有效的光放大机制来抵消光损耗。