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非线性光学

非线性光学

非线性光学是现代光学的重要分支，研究强相干光与物质相互作用时出现的各种新现象

的产生机制、过程规律及应用途径.非线性光学的起源可以追溯到1906年的泡克尔斯效应

和1929年克尔效应的发现，但是非线性光学成为今天这样一门重要科学，应该说是从激光

发现以后才开始的.

非线性光学的发展大体可划分为三个阶段：20世纪60年代初为第一阶段，这一阶段大

量非线性光学效应被发现，如光学谐波、光学和频与差频、光学参量振荡与放大、多光子吸

收、光学自聚焦以及受激光散射等都是这个时期发现的；第二阶段为60年代后期，这一阶

段一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应，另一方面则主要致力于对已发现的效应进

行更深入的了解，以及发展非线性光学器件；第三阶段是70年代至今，这一阶段非线性光

学日趋成熟，已有的研究成果被应用到各个技术领域和渗透到其他有关学科（如凝聚态物理、

无线电物理、声学、有机化学和生物物理学）的研究中.

非线性光学的研究在激光技术、光纤通信、信息和图像的处理与存储、光计算等方面有

着重要的应用，具有重大的应用价值和深远的科学意义.

一、光场与介质相互作用的基本理论

1．介质的非线性电极化理论

很多典型的光学效应均可采用介质在光场作用下的电极化理论来解释.

在入射光场作用下，组成介质的原子、分子或离子的运动状态和电荷分布都要发生一定

形式的变化，形成电偶极子，从而引起光场感应的电偶极矩，进而辐射出新的光波.在此过



程中，介质的电极化强度矢量是一个重要的物理量，它被定义为介质单位体积内感应电

P

偶极矩的矢量和：



pi



Plimi（1）

V0V



i

式中是第个原子或分子的电偶极矩.

P

i



PE

在弱光场的作用下电极化强度与入射光矢量成简单的线性关系，满足



PE（2）

01



式中称为真空介电常数，是介质的线性电极化率.根据这一假设，可以解释介质对入

01

射光波的反射、折射、散射及色散等现象，并可得到单一频率的光入射到不同介质中，其频

率不发生变化以及光的独立传播原理等为普通光学实验所证实的结论.

然而在激光出现后不到一年时间（1961年），弗兰肯（P.A.Franken）等人利用红宝石

激光器输出694.3nm的强激光束聚焦到石英晶片（也可用染料盒代替）上，在石英的输出光

束中发现了另一束波长为347.2nm的倍频光，这一现象是普通光学中的线性关系所不能解释



PE

的.为此，必须假设介质的电极化强度与入射光矢量成更一般的非线性关系，即

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