[自然科学]第六讲-非线性-光学.pdfVIP

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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,

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