非线非线性光学原理与进展钱世雄.ppt

第五章 三阶非线性光学效应概述 * 自聚焦作用可有两种情况：当激光束会聚程度不太高，即｜Ｒ｜比较大时，则（５．４-２４）式右边必须取正号。若较强会聚，即｜Ｒ｜很小，则ｚf会有两个值，这正是自聚焦过程中出现的双焦点现象，一个在原来的焦点之前，一个在原来的焦点后面。  当入射激光是发散的球面波时，则ｚf的值为 显然，当入射激光功率Ｐ取确定值时，发散球面波前的半径Ｒ有最小限制，只有大于这个Ｒ值的发散波才能产生自聚焦 第五章 三阶非线性光学效应概述 * 四、　动态自聚焦和瞬态自聚焦  以上关于稳态自聚焦的结果只适用连续或长脉冲的激光,光电场振幅与时间无关，入射激光是短脉冲，必须考虑到光束参量随时间的变化，至少振幅随时间变化的一阶导数必须考虑，这样描述自聚焦效应的波动方程与时间有关了，故称动态自聚焦. 在动态自聚焦中，焦点位置在介质中并不固定，而是随时间ｔ变动，从上式可作出ｚf（ｔ）与ｔ的关系曲线如图: 第五章 三阶非线性光学效应概述 * 图５．４-３ （ａ） 自聚焦焦点随时间变化曲线 （ｂ）　入射激光脉冲功率Ｐ（ｔ）波形 第五章 三阶非线性光学效应概述 * 上述对于动态自聚焦（亦称准稳态）的分析基于这样的假定，即介质对光场的响应非常快，认为一有激光场作用，介质折射率立刻发生变化，当激光达到自聚焦阈值时，自聚焦现象立刻发生。但当输入激光的脉冲持续时间比非线性折射率（Δｎ）的响应时间更短时，自聚焦过程中Δｎ的时间变化变得重要了，必须考虑瞬态自聚焦现象。 第五章 三阶非线性光学效应概述 * 图５．４-４ 超短脉冲自聚焦过程的光束轮廓的变化 第五章 三阶非线性光学效应概述 * 五、 自相位调制 实验发现在准稳态和瞬态自聚焦中，一个线宽很窄（０.１～１ｃｍ-1）的激光脉冲经自聚焦后从细丝区发射出来的光呈现很强的谱加宽。对毫微秒脉冲这种加宽约为几十个波数（ｃｍ-1），而用微微秒脉冲，加宽可超过几千ｃｍ-1，即经自聚焦后脉冲频率加宽了３～４量级，对于高强度的微微秒或亚微微秒激光脉冲经非线性介质的谱加宽后甚至达到了白光的连续谱。其原因主要是自聚焦光束上自感应的相位调制引起的。  第五章 三阶非线性光学效应概述 * 用一个简单的模型来定性地说明这种效应： 假设有一激光脉冲｜Ｅ（ｔ)｜2 在长为Ｌ的自陷细丝中传播。如果细丝 中的Δｎ有一个瞬时响应Δｎ（ｔ）＝ｎ2｜Ｅ（ｔ)｜2，那么从细丝输 出的光束有一个附加的自相位调制 Δ?（ｔ）＝（ω／ｃ）Δｎ（ｔ）Ｌ＝（ω／ｃ）ｎ2｜Ｅ（ｔ）｜2Ｌ 由此引起一个频率移动 Δω（ｔ）＝－?（Δ?）／?ｔ，即谱加宽。 激光输出的功率谱是由傅立叶变换给出， 第五章 三阶非线性光学效应概述 * §５．５非线性折射率测量的Ｚ扫描法 １９９０年代以来发展了一种测量材料非线性折射率的新方法——Ｚ扫描技术（Ｚｓｃａｎ）。 光强为Ｉ（ｚ，ｒ）的会聚高斯激光束传播至远场一带有小孔的探测器Ｄ2 ，被测非线性介质放在会聚透镜的焦点附近，并可沿传输方向（ｚ方向）前后移动。由于介质的非线性光学性质将引起光束的会聚或发散，从而引起透过小孔辐射量的变化，测得归一化透过率Ｔ2／Ｔ1与样品位置ｚ的关系。 图５．５-１ Ｚ扫描实验装置简图 第五章 三阶非线性光学效应概述 * 测量原理简单分析如下 ｎ（ｚ，ｒ）＝ｎ0＋ｎ2′Ｉ（ｚ,ｒ） 其中ｎ0是线性折射率，ｎ2′也是非线性折射率系数，与（５．４-１２)和（５．４-１３）两式相比较， ｎ2′＝２ｎ2／ε0ｎ0ｃ，或ｎ2′＝３χ(3)／ε0ｎ02ｃ。 当ｎ2′＞０时出现自聚焦，当ｎ2′＜０时出现自散焦。 第五章 三阶非线性光学效应概述 * （ａ） １０．６μｍ，３００ｎｓ光脉冲的１ｍｍ厚ＣＳ2池Ｚ扫描结果 （ｂ） ５３２ｎｍ，２７ps光脉冲的１ｍｍ厚ＣＳ2池Ｚ扫描结果 图５．５-２ 归一化透过率Ｔ（ｚ）与扫描位置z的关系 第五章 三阶非线性光学效应概述 * 仅仅关于材料单纯的折射率变化的情况,如果材料同时存在非线性吸 收，它将抑制峰点（对吸收增加的情况）或谷点（对吸收减小的情况）。此时如移去小孔，亦称开孔，使通过样品的光束全部进入Ｄ2 ，Ｚ扫描曲线对非线性折射率的变化是不灵敏的，它是一条相对焦点，ｚ＝０，对称的曲线。对饱和吸收样品，在焦点处其透射率最大（峰），如图５．５-３ａ；对反饱和或双光子吸收的样品，透过率最小（谷），如图５．５-３ｂ。通过对闭孔和开孔两种情况的ｚ-Ｔ曲线的除法处理，可将介质的非线性吸收和非线性折射率分离开来。 第５章 三阶非线性光学效