第5章_三阶非线性光学效应技巧.ppt

第5章 三阶非线性光学效应 ;5.1 克尔效应与自聚焦现象;图5.1 - 1 克尔效应实验示意图 ; 从非线性光学的角度来看, 克尔效应是外加恒定电场和光电场在介质中通过三阶非线性极化率产生的三阶非线性极化效应。 假定介质受到恒定电场E0和光电场Eexp(iωt)+c.c.的作用, 按(1.1 - 39)式和(1.1 - 41)式有 ; 这表示由于三阶非线性极化的作用, 恒定电场的存在使得介质的介电张量元素 改变了 , 且 ; 2. 光克尔效应 现在进一步讨论用另一光电场代替恒定电场E0的光克尔效应。 假定频率为ω的光电场作用于介质的同时, 还有另一束任意频率为ω′的光电场作用于该介质, 则由于ω′光电场的作用, 会使介质对ω光波的作用有所改变。 通过三阶非线性极化效应, 将产生与频率为ω′光电场平方有关的三阶非线性极化强度的复振幅P(3) (ω)为 ;假定频率为ω的光波沿z方向传播, 由(5.1 - 3)式可得;克尔效应可以提供一种改变光波偏振状态的方法。例如，通常使用的非线性介质硝基苯，没有恒定电场时，在光学上是各向同性的。当外加恒定电场后，它就具有各向异性晶体的性质。这时，与E平行和垂直的光波通过它是，便产生相位差：;图5.1 - 2 光克尔效应开关; 5.1.2 激光束的自聚焦现象 上述的光克尔效应中，光波的频率ω与产生效应的光波频率ω’不相同，实际上，一束强的光波本身就能起到产生该效应的光波作用。 自聚焦是感生透镜效应, 这种效应是由于通过非线性介质的激光束的自作用使其波面发生畸变造成的。 现假定一束具有高斯横向分布的激光在介质中传播, 此时介质的折射率为 ;如果△n是正值，由于光束中心部分的光强较强，则中心部分的折射率变化较边缘部分的变化大，因此，光束在中心比边缘的传播速度慢，结果是戒指中传播的光束波面越来越畸变，如图所示。这种畸变好像是光束通过正透镜一样，光线本身呈现自聚焦现象。; 但是，由于具有有限截面的光束还要经受衍射作用，所以只有自聚焦效应大于衍射效应时，光才表现出自聚焦现象。 粗略地说，自聚焦效应正比于光强，衍射效应反比于光束半径的平方，因此，由于光束收自聚焦作用，自聚焦效应和衍射效应均越来越强。如果后者增强的较快，则在某一点处衍射效应克服自聚焦效应，在达到某一最小截面（焦点）后，自聚焦光束将呈现出衍射现象。但是在许多情况下，一旦自聚焦作用开始，自聚焦效应总是强于衍射效应，因此光束自聚焦的作用一直进行着，直至由于其他非线性光学作用使其终止。; 使自聚焦作用终止的非线性光学作用有：受激喇曼散射、受激布里渊散射、双光子吸收和光损伤等。 当自聚焦效应和衍射效应平衡时，将出现一种有趣的现象，即光束自陷，表现为光束在介质中传输相当长的距离，其光束直径不发生改变。实际上，光束自陷是不稳定的，因为吸收或散射引起的激光功率损失都可以破坏自聚焦和衍射之间的平衡，引起光束的衍射。 与自聚焦效应相反，如果由光强引起的折射率变化△n是负值，则会导致光束自散焦，趋向于使高斯光束产生一个强度更加均匀分布的光束，这种现象为光模糊效应。; 光强分布引起折射率变化还会造成光的群速度变化, 图5.1 - 4表示一时域高斯光脉冲在非线性介质中传播一定距离后, 脉冲后沿变陡的现象。 这是由于脉冲峰值处折射率大, 光速慢， 而在后沿, 光强逐渐下降, 光速逐渐增大, 以致后面部分的光“赶上”前面部分的光, 造成光脉冲后沿变陡。 这就是光脉冲的自变陡现象。 ; 自聚焦现象的研究始于1964年, 促使对这种现象的研究主要有以下两个因素: （1） 高功率密度激光在透明介质中传播时会发生所谓的丝状破坏。 （2） 在研究受激喇曼散射过程中观察到一些反常现象, 如许多固体和液体中, 受激喇曼散射有一个非常尖锐的阈值, 有异常高的增益, 前后向增益不对称, 有反常的反斯托克斯环等。经研究表明，这些现象都与激光束自聚焦现象相关。 ; 引起光束自聚焦的原因是光致折射率的变化, 而光致折射率变化的物理机制是多种多样的, 归纳起来主要有: （1） 强光场使组成介质的分子或原子中的电子分布发生变化, 这导致介质宏观电极化的变化, 从而使折射率发生变化。引起折射率变化的响应时间fs量级。 （2） 对含有各向异性分子的液体（如CS2、 苯及其衍生物）来说, 由于各向异性分子在不同方向上有不同