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第六章非线性光学
本章主要内容:
1二阶非线性光学
光学克尔效应
2三阶非线性光学二波混频
四波混频
3非线性波方程二次谐波的产生
4三波混频的耦合波理论频率转换
参量放大和参量振荡
5四波混频的耦合波理论·
·
§6-1引言
按照光的电磁波理论,光波是具有电场和磁场的一
种电磁波,电场和磁场的时空变化规律由麦克斯韦方程组
描述。电场和磁场通过相互感应形成在真空中传播的电磁
波,其传播速度为c=
光进入介质后,光波中的电场和磁场将引起介质的极
化和磁化,发生光与介质的相互作用,如果将介质看作是
电偶极子的集合,那么在光波电场的作用下,电偶极子将
以光频振荡,并辐射出次波。合成的次波形成介质中的光
波,其速度.依赖于介质的折射率n。
在激光问世之前,光学介质被认为是线性的.即:
(1)波速v,折射率n及吸收系数与光频和传播方向有
关,而与光强无关;
(2)光波的叠加原理成立。波的叠加原理指出,当介质中同
时存在两个以上的光扰动时、各个光扰动的作用是独立的;
(3)光通过线性光学介质后,光的频率不发生变化,改变的
仅仅是光的波长。
自1960年激光问世以来,出现了高光强、高单色性的
相干光。激光在介质中传播时,将引起显著的非线性光学
效应。1961年,用694.3nm的激光聚焦在石英晶片上,使
输出光中出现347.15nm的二倍频光.从此开创了非线性
光学时代。
在所谓非线性光学介质中,介质的折射串n和吸收系
数依赖于光强;
波的叠加原理不再成立,光通过非线性介质后的频率
可以发生变化;
在非线性光学介质中,光波可以控制光,即某一光场
可以与其它光场发生相互作用,也可以与自身发生作用。
为什么会发生这些非线性光学现象呢?按照介质的偶
极子模型,如果引起极化的光场强度远小于原子的内电场
强度,极化可看作是线性的,即成立。然而当
光场强度接近原子的内电场时,介质的极化强度应由光场
的泰勒级数展开式表示,即
对于各向同性介质,上式具有标量形式:
上两式中的第一项是线性极化项,描述线性光学现象;
其他项是非线性极化项,描述非线性光学现象。
它们是描述非线性光学介质的基本方程。
对介质方程的说明:
(1)如果将极化强度P看作是介质对光场E的响应函数,
那么以上两方程是描述介质对光场瞬态响应的关系式,即
t时刻的光场E(t)引起t时刻的极化P(t)。这种对光场作出
瞬时响应的介质称非色散介质。
若介质的极化率是频率的函数,这种介质称色散介质。
(2)介质的非线性光学性质不仅取决于入射光的光强,
还与光场的相干性密切相关。
(3)介质方程是将光学介质看作为电偶极子集合这样一
个模型给出的。它描述了偶板子极化对光场的非线性响
应,然而它也可作为描述更一般非线性光学介质的方程。
§6-2二阶非线性光学
为了简化讨论,我们以各向同性非线性光学介质作为
讨论的主要对象。
在光场作用下,各向同性的非线性光学介质的极化强
度包含线性极化和非线性极化两部分,即
将其代入到麦克斯韦波方程
得标量波方程。
起着波源的作用,由它
可导致各种非线性光学现象,
讨论:
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