非线性光学概要及光电子器件.ppt

* 第九章 非线性光学概要及光电子器件 一、光与物质相互作用的机理 当光照射物质时，光波电磁场将对物质中的电子产生作用，在外电场的作用下，介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡。 + + － 原子的电极化：负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态。 若物质中的电子在外场作用下产生位移 r，则每个电子产生一个电偶极矩 p。 若光波随时间作正弦变化，即它的电场强度沿两个相反方向交替变化，电偶极子的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。表征电偶极子的物理量是电偶极矩。 若单位体积中有N 个电偶极子，N 个偶极矩的矢量和为极化强度P。 线性光学：电偶极矩与外界电磁场成线性关系。 当光与物质相互作用时，光场中的电场强度使介质原子因感应而产生电偶极矩，电偶极矩叠加起来形成电极化强度。电极化强度产生极化场，极化场发出次级辐射。 若E 以ω作简谐变化，P 及其产生的次级电磁辐射也以同样的ω作简谐变化，因两频率相同，次级辐射与入射光波叠加的结果使光波的单色性不变。 当有几种不同频率的光波同时与该物质相互作用时，各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射，不会发生新的频率。 在线性光学中，物质对光场的响应与光的场强成线性关系。光的独立性原理和叠加原理都成立。 非线性光学：外界作用的光场较强，电偶极子的振荡不再具有位移与外电场成线性的关系，产生的电磁振荡是非线性的。 二、光的吸收 光通过物质时，光波的电矢量使物质中的带电粒子作受迫振动，一部分光能用来提供振动所需能量。光的强度随穿入物质的深度而减少，光能被物质吸收后转变为热能。 光强为I 的平行光束通过一无限薄层dx时，强度减少了d I，a 为吸收系数。 对上式进行积分，可求出在通过厚度为 l 的吸收层后的光强 I 。 在介质中，当光的频率与电偶极子的固有频率一致时，发生共振现象，因而光能被强烈地吸收，在其他情况下表现为透明。 一般吸收（a 很大） 选择吸收（ a 很小） 介质对光的吸收： { 吸收光谱能反映材料特征。同一物质的发射光谱与吸收光谱有严格的对应关系。 具有连续谱的光（白光）通过选择吸收介质后，用光谱仪可观察不同波长的光被吸收的谱线。 正常色散：在透明波段（一般吸收），折射率随波长增加而减少。 反常色散：在不透明波段（选择吸收），折射率随波长增加而增加。 三、光的色散 介质材料的折射率随波长而改变的现象。 （1）色散与吸收 正常色散的经验公式（柯西公式）： 可见光 吸收带 λ n P Q R 柯 西 公 式 S T O 在可见光区域色散是正常的，曲线PQ 段符合柯西公式，若向红外区域延伸，并接近吸收带时，色散曲线发生偏离（R点），过了吸收带，曲线ST 又恢复正常。 （2）色散与经典电磁理论 光波在介质中的吸收和色散行为，可用光场使电偶极子产生振荡的理论来描述。 介质材料的电极化率x 决定了折射率N 的实部 n 和虚部κ，从而研究介质的吸收（κ）和色散（n）的问题。 入射光频率接近电偶极子的固有频率时吸收很大，为反常色散。 四、光的散射 当光束通过光学性质不均匀介质时，除了按几何光学规律传播的光线外，其它方向或多或少也有光线存在。 介质中各点所发射的次波是不相干叠加，不会相消为零，从而形成了散射光。 （1）瑞利散射 散射粒子线度比波长小得多，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。散射光中短波占优势，白光散射时带青蓝色。 （2）拉曼散射 在研究晶体和液体内的散射时，发现一些微弱的与入射光频率不同的散射光。 入射光中的一部分能量被介质吸收，用来激励介质中分子的振动或转动的能量，从而使散射光的频率比入射光的低。 若散射光的频率比入射光的高为反斯托克斯-拉曼散射。这种非弹性散射的可能性比弹性散射小得多。入射与散射光的频率差反映介质能级的能量差。 弹性散射 hγ0 hγ0 γ0 hγ0 hγ0 γ0 h（γ0 －△ γ） h（γ0 ＋△ γ） γ0 －△ γ γ0 ＋△ γ 非弹性散射 受激散射：当以强光入射时，可使某些介质的散射过程具有受激发射的性质，散射光突然变强。 （3）布里渊散射 光通过由热激发产生声波的介质时，散射光中除包含入射光频外，其两侧还有频移线（布里渊双重线）。 晶体中的声波参与了能量的交换，可用被相对运动物体产生频移的多普勒频移理论解释。 生物组织是高散射物质，用光学方法显现介质内部的物体是生物医学的热门课题。 蛇形光层