非线性光学－绪论-第一章.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * Nonlinear Optics 陈 笑 理学院 光信息科学与技术系 2011年9月 非线性科学（量子力学、相对论） 非线性科学，目前有六个主要研究领域，即： 混沌 (Chaos) 孤子波（Soliton） 分形（Fractal） 模式形成（Pattern formation） 元胞自动机（Cellular automata） 复杂系统 (Complex system) 线性和非线性 (数学和物理上) 目前发展起来的非线性物理学科包括：?* 非线性光学（Nonlinear Optics） ?* 非线性声学 （Nonlinear Acoustics） ?* 非线性动力学 （Nonlinear Dynamics） * 量子混沌 (Quantum Chaos) …… 第一章 绪 论 1、研究范畴2、学科特点3、发展历史4、应用价值和科学意义5、研究进展（举例） 目录 1、研究范畴 极化响应过程 辐射过程 介质对光场的响应呈线性关系：线性光学 介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学 非线性光学是研究强光与物质相互作用过程中出现的各种新现象和新效应 光 物质 光 介质极化 辐射 各种非线性光学现象 各光波间能量的转换 耦合波方程 其中，? (1)为线性极化率， ? (2) 和? (3)是二阶，三阶非线性极化率。对于各向异性介质 ，? (n)为（n+1）阶张量，张量元一般为复数，实部对应介质的折射率，虚部对应介质的吸收 其中，?0为真空介电常数，? 为线性极化率 强激光入射介质（远离介质共振区），可以采用下面的级数形式表示 普通光入射介质，对应极化强度与入射光场的关系 极化响应的过程 原子内的平均电场强度的大小（～1011 V/m） 弱光下， ，二阶以上非线性极化强度可忽略 强光下， ，二阶以上非线性极化强度不可忽略 由非线性光学理论可以证明 2、学科特点 激光技术催生非线性光学的出现并推动了其发展。 线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性叠加原理。 非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不成立。 线性光学 非线性光学 单束光在介质中传播，通过干涉、衍射、折射可以改变空间能量的分布和传播方向，但与介质不发生能量的交换，不改变光的频率 某一频率的入射光，可通过与介质的相互作用转换成其它频率的光（如倍频），还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强（受激拉曼散射） 多束光在介质中交叉传播，不发生能量相互交换，不改变各自的频率 多束光在介质中交叉传播，可能发生能量相互转移，改变各自频率或产生新的频率（三波和四波混频） 光与介质相互作用，介质的物理参量只是光频的函数，与光场强度变化无关 光与介质相互作用，介质的物理参数如极化率、吸收系数、折射率等是光强的函数（非线性吸收和色散、光克尔效应和自聚焦） 光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间一般成线性关系 光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间呈非线性关系，从而实现光开关（光限幅、光学双稳、各种干涉仪开关） 多束光在介质中交叉传播，各光束的相位信息彼此不能相互传递 光束之间可以相互传递相位信息，而且两束光的相位可以互相共轭（光学相位共轭） 3、发展历史（三阶段） 1）非线性光学的早期10年 （1961-1970） 1961，红宝石激光倍频(SHG) （标志非线性光学真正诞生） 随后发现了几种非线性光学的基本现象和瞬态光学效应： 和频、差频、参量振荡； 受激拉曼散射、受激布里渊散射、相干（反）斯托克斯；光子回波、光学章动、光学自感生透明；自聚焦、自相位调制、光学相位共轭 1965年，Bloembergen等人出版《Nonlinear Optical Phenomena》一书，基本建立了以非线性介质极化和耦合波方程组为基础的非线性光学理论 2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990） 3）20世纪90年代以来的研究进展 2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990） 发现新的非线性光学效应：四波混频、光克尔 展开各种非线性光学效应的应用研究： 扩展激光波长的范围和发展各波段连续可调谐技术; 发展非线性光学共轭技术及应用; 以光计算和光电子技术为应用背景，出现了各种光学双稳的方案和装置。 与材料研究紧密结合（非线性光学晶体BBO, LBO/半导体超晶格/量子阱/有机聚合物） 1984年，沈元