[高等教育]非线性光学 第四章.ppt

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[高等教育]非线性光学 第四章

第四章 三阶非线性光学现象 §1 三阶非线性光学效应概述 物理机制: 与光克尔效应相关的几种重要现象 激光束的自聚焦现象(SF) 2、Z-扫描技术 光学双稳现象 参量过程与非参量过程 反饱和吸收、自散焦作用 参量过程:对于一个非线性光学过程,如果在过程前后非线性介质的内部 状态保持不变。特点:要求满足相位匹配条件。 非参量过程:对于一个非线性光学过程,如果在过程前后非线性介质的内 部状态保持发生改变。特点:不要求相位匹配条件。 * * §1 三阶非线性光学现象概述 §2 三倍频效应(THG) §3 简并四波混频(DFWM) §4 相位共轭波 §5 受激拉曼散射(SRS) §6 受激布里渊散射(SBS) §7 相干反斯托克斯光(CARS) §8 双光子吸收 §9 光克尔效应及相关效应 第一,是三阶微扰,一般要比二阶效应更弱,在实际中普遍采用共振效应来提高三阶效应。 1.三阶的特点: 第二,是四波参与的过程,三阶效应比二阶效应更加丰富。 第三,可以发生在只有一个入射光电场频率的情况,产生的效应也只对应于该入射光电场的频率,这种效应可以使介质的折射率发生变化,即所谓自聚焦,也可以产生一个具有独特相位特性的新的出射光,这就是简并四波混频。 第四,原则上三阶非线性光学效应可以在所有介质中观测到。 §2 三倍频效应 要求满足能量和动量守恒。 产生方法: 1、晶体中:方解石是唯一能实现三次谐波相位匹配的晶体。 2、金属蒸汽中:常采用双光子共振、加入缓冲气体 §3 简并四波混频(DFWM) 应用: 1、将可调谐相干光源的频率扩展到红外和紫外。 2、简并四波混频用于自适应光学中的波前再现。 3、共振四波混频是一种有效的研究材料的光谱分析工具。 简并四波混频(DFWM) 一、定义:复振幅互为共轭的两列光波。 如:沿z方向传播的两列波: 二、特点: 1 背向互为相位共轭的两列波之间互为时间的反演 §4 相位共轭波 2、复振幅的相位空间分布规律 背向相位共轭波:传播方向相反、相位分布相同 前向相位共轭波:传播方向相同、相位分布呈镜像对称 三、相位共轭波的应用: 四、光学混频实现相位共轭波的方法: 三波混频:主要产生前向共轭波 四波混频:可以产生前向和背向共轭波 * 前向受相位匹配限制,后向则不受。 典型实验装置: PCM的畸变补偿: 产生条件: §5 受激拉曼散射(SRS) 1、高的输出强度:可达到与入射光强相同量级,甚至将入射光能量几乎耗尽 2、好的方向性:前向和后向输出发散角可优于入射光,因此可以用于光束整形。 3、高阶散射。 4、相位共轭特性:可用于研究畸变补偿。 特点 §7 相干反斯托克斯光(CARS) 产生条件 1、强的抗荧光干扰性:信号光频率高,信噪比高。 2、好的方向性:满足相位匹配的的方向产生信号光。 3、共振效应:利用共振增强。 4、偏振特性:出射光的偏振性与入射光及介质的对称性密切相关,因此 抗干扰能力强。 特点 §8 双光子吸收 掺铕氟化钙晶体 产生条件: §9 光克尔效应及相关效应 各向同性介质, 设频率为 的光电场的偏振方向为y, 1)自聚焦 2)自相位调制及频谱展宽 研究领域: 1)Z 扫描技术 2)光学双稳 3)光学孤子及通讯 光束与介质的三阶非线性作用,介质的折射率将发生改变: 时, 中心折射率大,两边小——凸透镜——自聚焦 时, 中心折射率小,两边大——凹透镜——自散焦 使光强趋于均匀分布——光模糊效应 自衍射过程与光束截面半径的平方成反比。 过程 当 时,发生自聚焦现象。 当两者作用大个相等时,二者的作用互相抵消,光柬截面在继续向前传 播时将保持不变——光自陷。 条件 1.分析几种自聚焦现象:稳态、准稳态和瞬态 (1) 激光束是连续的或缓变的长脉冲时,可用稳态理论处理: 其中, 是保持光束截面不变时的光功率。 平面波: 弱会聚波: 强会聚波: 发散波: (2) 激光束是短脉冲时,介质响应时间远小于光脉冲时间,考虑振幅随时间的一阶影响——准稳态自聚焦。 (3) 激光束的脉宽比光感生折射率改变的响应时间短或二者相当时,在自聚焦过程中 随时间变化显得很重要——瞬态自聚焦。 此时必须考虑 的时间积累以及由此引起的光脉冲前沿部分对后沿部分的影响。 特点:光路简单、测量灵敏度高; 可同时测量非线性折射率和非

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