MIT非线性光学讲义Nonlinear Optics VI
超快光学-第07章-非线性光学

非线性光学效应的微观机制
量子隧道效应
在微观尺度上,光子与物质相互作用时,由于量子 力学效应,光子可以穿过能量势垒,导致非线性光 学效应的产生。
分子振动和电子跃迁
在物质分子中,光子与电子和分子振动相互作用, 导致电子跃迁和分子振动激发,进一步产生非线性 光学效应。
多光子吸收和激发态吸收
在强激光作用下,物质可能发生多光子吸收或激发 态吸收,导致非线性光学效应的产生。
06
非线性光学的前沿研究
超快非线性光学
01
02
03
飞秒激光技术
利用飞秒激光脉冲的超短 时间和超高强度特性,实 现非线性光学效应的快速 响应和高效转换。
瞬态光谱技术
通过测量非线性光学过程 的瞬态光谱,研究超快时 间尺度下的光子能量转移 和物质动态行为。
光学频率梳技术
利用超快激光器产生高重 复频率的光学频率梳,实 现宽光谱范围的光学频率 测量和控制。
脉冲宽度是描述脉冲持续时间的重要参数,通过 测量脉冲宽度可以了解光脉冲的能量分布和时间 特性。常见的脉冲宽度测量技术包括示波器法、 自相关法、光谱分析法等。
自相关法
利用光脉冲的自相关性质,通过测量自相关函数 的峰值位置来计算脉冲宽度。该方法精度较高, 但需要稳定的脉冲源和复杂的实验装置。
示波器法
利用示波器直接观察脉冲信号的时域波形,通过 测量脉冲的前沿和后沿时间差来计算脉冲宽度。 该方法简单直观,但精度较低。
02
非线性光学的基本原理
二阶非线性光学效应
80%
二次谐波产生
当强激光作用于物质时,物质中 的非线性极化率会导致光波的倍 频现象,产生频率为原来频率两 倍的光波。
100%
光学混频
当两束频率不同的光波同时作用 于物质时,由于非线性极化率的 作用,产生第三种频率的光波。
非线性光学-绪论-第一章

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,沈元壤出版《The Principles of Nonlinear Optics》一书
P
0
E
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
P
0 (1)
E
0(
2)
:
EE
0
(3)
EEE
P(1) P(2) P(3) P(1) PNL
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
1)提供了产生强相干光辐射并扩展其波段的新手段;
2)解决激光技术本身提出的一些课题;
3)提供了一批新方法和新技术;
简并四波混频产生相位共轭波;采用非线性饱和吸收调Q开关和锁模;采用 双光子吸收检测超短脉冲的脉宽;光学击穿用于触发快速火花隙电开关;采 用强光自相位调制和自加宽效应产生超连续谱;采用自相位调制可用光纤中 产生光孤子。
频)/光学参量振荡和放大效应 第四章 四波混频/ 光学相位共轭 第五章 光学克尔效应/ 光束自聚焦/ 自相位调制/
光学双稳态效应 第六章 受激拉曼散射/ 受激布里渊散射
课程要求和目的 课堂要求 考核方式
"for development of methods to cool and trap
atoms with laser light"
非线性光学(NonlinearOptics)非线性极化率张量(Nonlinear

• 为了找出 中C3和 为ω的AC电场驱动下电子运动方程的近似解。
acceleration 驱动电场:
电子位移: 且满足:
damping
restoring force
尝试解
二、光学非线性的物理起源
• 此时单位时间内减少的光子数目为
,即净吸收速率。
• 随着光束在介质中的传播,其强度逐渐减小:定义z处的光强为I(z),dz内光强的变化 为dI ,此时有 。 • 由于光束强度定义为单位时间在单位面积上通过的能量(W m-2),有 ,即 。
• 进一步得到
。
二、光学非线性的物理起源
Resonant nonlinearities 共振非线性
Non-resonant nonlinearities 非共振非线性
• 进一步得到
。 • 此时在频率2ω处的偏振为 • 另外在频率2ω处的偏振由频率为ω的驱动电场转换而来,可得到 。
。
• 由上面三式,最终得到
的非简谐项C3成正比。 Miller’s Rule
,即二阶非线性极化率与运动方程中
•当ω趋近于ω0时,
三、二阶非线性
晶体对称性效应 • 比如,中心对称晶体 (centrosymmetric)具有反转对称性,在施加单一电场 时,非线 性偏振 况不变。 的分量可表示为 ,即电场方向反转时情
• 另外,由晶体的反转对称性,在场方向不变而反转晶体时,所有的物理过程相同。
在晶体的坐标轴变化下,所有的 和 的分量变化符号,从而得到
• 在光波的AC电场驱动下,电子在正周期的位移要小于负周期的位移。
非线性光学课程教学大纲

非线性光学课程教学大纲《非线性光学》课程教学大纲一、《非线性光学》课程说明(一)课程代码:08131102(二)课程英文名称:Non-linear Optics(三)开课对象:应用物理学专业本科生(四)课程性质:非线性光学是应用物理学专业的专业选修课程之一,它是一门介于基础与应用之间的学科,随着实验与理论研究的深入,它儿乎在所有科学领域中都获得广泛的应用。
本课程除了讨论非线性光学的理论基础外,还主要介绍在非线性介质中产生的各类非线性光学现象,并且注意介绍与光通信及光电子有关的最新进展,是通信及其光学各专业学生必须具备的理论基础。
(五)教学目的:了解有关非线性光学的基本现象及其物理描述,为学生今后在本领域或相关领域工作提供理论基础。
(六)教学内容:本课程讲述了非线性光学的基本原理和概念。
主要内容包括二阶和三阶的各种非线性光学现象,并介绍了在激光态非线性光学、光学双稳性、光学混沌、自聚焦、光孤子和全光开关等方面的最新发展和应用。
(七)学时数、学分数及学时数具体分配学时数:36学时分数:2学分学时数具体分配:教学内容讲授实验/实践合计第一章绪论2 2第二章介质的非线性极化4 4第三章光学三波耦合过程4 4第四章光学四波耦合过程4 4第五章非线性折射率效应8 8笫六章非线性光散射6 6笫七章非线性光吸收与光折射8 8合计36 36 (八)教学方式以课堂讲授为主要授课方式(九)考核方式和成绩记载说明考核方式为考试。
严格考核学生出勤情况,达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格。
综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定,平时成绩占40% ,期末成绩占60%。
二、讲授大纲与各章的基本要求第一章绪论教学要点:通过本章学习,使学生了解研究非线性光学的意义和非线性光学的发展史及发展趋势,知道非线性光学的应用领域。
1、了解研究非线性光学的意义。
2、了解非线性光学的发展及其发展趋势。
3、明确非线性光学的应用领域。
教学时数:2学时教学内容:第一节研究非线性光学的意义第二节非线性光学的发展第三节非线性光学的应用考核要求:1、非线性光学的分类(识记)2、非线性光学的应用(领会)第二章介质的非线性极化教学要点:要求学生掌握光在不同非线性介质中传播时波动方程,掌握极化率的定义、性质和物理意义,重点掌握极化率实部和虚部的关系,以及与极化率实部和虚部相对应的折射率和吸收系数之间的关系。
非线性光学课件

1.1.2 非线性光学是现代光学的分支学科
“传统光学”——基于自发辐射 的普通光源的光学
“现代光学”——基于受激辐射 的激光光源的光学
1.1.3 非线性光学是研究激光与物质相互作用的学科
(物质响应现象)
导致
光
物质极化、磁化,产生感生电流等等
改变原来 的光场
物质对光的反作用
产生
使物质产生 电磁场辐射
• 主动非线性光学效应的特点是:光与介质间会发生能量交 换,介质的物理参量与光场强度有关。
1.1.4非线性光学现象是高阶极化现象
在线性光学范畴,采用极化强度P(r, t)来解释所观察到的介质 中的吸收、折射及色散等现象。
P(r,t)0(1)E(r,t)
式中, 是真空介电常数; ( 1 ) 是介质的线性极化率。 0
光与物质的相互作用原理
非线性光学(激光为光源)与线性光学(普通光为 光源)有本质的区别,两种情况下,在光与物质 相互作用或光波之间的相互作用中所表现的特 性不同。
1.非线性光学与线性光学的主要区别
2.被动非线性光学与主动非线性光学
• 被动非线性光学效应的特点是:光与介质间无能量交换, 而不同频率的光波间能够发生能量交换。
+ E + :E E +
非线性光学效应的定义:
凡物质对于外加电磁场的响应,并不是外加电磁场振幅的 线性函数的光学现象,均属于非线性光学效应的范畴。
—————Bloembergen
Bloembergen是非线性光学理论的奠基人。他提出了一个能 够描述液体、半导体和金属等物质的许多非线性光学现象 的一般理论框架。他和他的学派在以下三个方面为非线性 光学奠定了理论基础: –物质对光波场的非线性响应及其描述方法; –光波之间以及光波与物质之间相互作用的理论; –光通过界面时的非线性反射和折射的理论。
非线性光学及其现象课件

详细描述
当化。这种变化与光强 有关,因此是一种非线性效应。克尔效应在光学通信、光学存储和光学控制等领域有重
要应用。
双光子吸收和双光子荧光
总结词
双光子吸收和双光子荧光是两种重要的非线性光学现象 。
详细描述
双光子吸收是指一个材料在两个光子的共同作用下吸收 能量的过程。这种过程在激光医学、光刻和光学存储等 领域有广泛应用。双光子荧光则是材料在双光子激发下 发射荧光的非线性光学现象,常用于生物成像和化学检 测等领域。
非线性光学与其他领域的交叉发展
非线性光学与信息光学的交叉 发展
随着信息光学的发展,非线性光学与信息光学的交叉 领域不断涌现,如量子通信、光计算、光存储等,这 些领域的发展有助于推动非线性光学的发展和应用。
非线性光学与生物医学光学的 交叉发展
非线性光学在生物医学领域的应用不断拓展,如光学成 像、光热治疗、光动力治疗等,这些领域的发展有助于 推动非线性光学在生物医学领域的应用和发展。
VS
详细描述
在强激光作用下,非线性介质中的电子在 吸收一个光子的能量后,可能会发生多个 电子跃迁,这种现象称为多光子吸收。这 种现象通常发生在高强度激光脉冲通过物 质时,对物质的高频特性有重要影响。
光学参量放大和振荡
总结词
光学参量放大和振荡是指利用非线性介质的 参量效应,实现光的放大或振荡的现象。
随着新材料技术的不断发展,新型非线性光 学材料不断涌现,如有机非线性光学材料、 复合非线性光学材料等,这些新材料具有更 高的非线性光学系数和更宽的响应范围,为 非线性光学的发展提供了新的可能性。
新材料对非线性光学性能 的提升
新型非线性光学材料不仅具有更高的非线性 光学系数,而且具有更快的响应速度和更低 的阈值,有助于提高非线性光学的转换效率
非线性光学

非线性光学非线性光学(NonlinearOptics)是光学中一个新兴的领域,它涉及到光与物质间相互作用的基础理论及其在实验室中的应用。
它是由20世纪50年代以来经过不断推进发展而来,逐渐成为光学研究中一个重要组成部分。
在光学研究中,随着大量研究,人们发现了下面几种形式的非线性光学现象:非线性折射、非线性屈折、非线性发射、非线性衍射、介质中的非线性共振及非线性干涉等。
首先,谈谈非线性折射。
非线性折射是指在介质中的光强度发生变化的情况下,光的折射率也会随之发生变化。
这种变化经常在激光器及光纤中出现。
非线性折射也能被用来实现光学元件的聚焦及散焦。
非线性折射可以利用介质中的离子链中空心光纤的实现。
其次,讨论非线性屈折。
这是一种可以改变介质中光的传播方向的现象,它能将光从原来的方向转向新的方向。
它可以用来调节光。
这种现象通常发生在非线性介质中,例如晶体、液体,及其他类型的介质中。
再次,探讨非线性发射。
非线性发射是指在介质中,由于光的强度发生改变,导致物质对光的反应也发生变化,也就是说物质会产生自发辐射。
当物质在强光场中受到激发,会产生一类新的光,该光被称为非线性发射。
非线性发射,例如荧光(fluorescence)、激发荧光(excitation fluorescence),它的发射品质可能比原始光的品质要高,也可能比原始光的品质要低。
此外,非线性衍射也是一种常见的非线性光学现象。
它指的是当物质在入射的光的波长或强度发生变化时,反射的光会发生变化。
这种变化可以使反射的光被分离成不同的波长,或者可以使反射的光变成多个光束。
再者,讨论一下介质中的非线性共振。
它是指在一定的条件下,当光入射到动态可变的介质中,会产生对光变化的反馈,以达到共振或稳定性的效果。
非线性共振也是实现光学元件的一种方法,如激光器、调制器等。
最后,介绍一下非线性干涉。
它是指当入射的光的强度与介质的参数相互作用时,可以通过相干、共振抑制等现象来调节光的传播过程,从而形成有特定的干涉图案。
非线性光学的理论基础

非线性光学的理论基础非线性光学(Nonlinear Optics)是研究光在非线性介质中的传播和相互作用的科学。
相对于线性光学而言,非线性光学永远都是需要考虑的,因为非线性光学效应中产生的二次谐波、三次谐波等高次谐波能够被广泛应用于各种实际的光学系统中。
非线性光学是由电场强度引起的,因此电场强度与电子、离子密度和极化程度有关。
传统的线性光学理论是建立在电场强度小的假定之上,因此可以忽略介质的非线性性质。
而非线性光学理论需要考虑电场强度大的情况,其是建立在相对论物理和量子力学理论基础之上的,并且有时需要数值模拟得到更精确的结果。
非线性光学中最重要的一个概念是极化率,它是介质的响应函数,表示单位电场强度下单位体积(或长度)内极化密度的增量。
在线性光学中,介质的极化率是常数,而在非线性光学中,极化率则会随着电场强度的变化而变化。
如果考虑二次非线性光学效应,则极化率是二阶张量,反映了各种各样的对称性和不对称性。
非线性光学过程的强度非常大,往往需要考虑空间分散和时间反应的影响。
这些效应都归结为Maxwell方程的非线性形式,通常称为非线性Maxwell方程。
非线性Maxwell方程是非线性光学的核心方程,其解是非线性光学效应的理论预测。
非线性光学效应具有丰富的物理现象,它们可以分为光学非线性效应和击穿效应两类。
在光学非线性效应中,最常见的是二次和三次非线性效应。
二次非线性效应包括二次谐波产生、光学混频、光学克尔效应等;而三次非线性效应则包括自聚焦、自相位调节、自作用、散射等。
击穿效应则是指能级结构发生改变而引起强电场的效应,产生的现象有光致击穿、电致击穿、阈值击穿等。
非线性光学的理论基础不仅仅依赖于Maxwell方程和极化率的性质,还与量子力学的一些基本原则有关。
对于非线性光学效应的研究,量子力学的一个最重要的概念是相干态(Coherent states)。
相干态是量子态的一种,它是由一个连续的波函数表示的,可以看成是经典光学中平面波的量子版本。
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Define L ≡
−1 1 (0) Lρ(1) μ ngEe −i ωt ρ(0) ng = −(ih ) gg − ρnn 2 1 (0) (0) − (ih )−1 μ ng E*eiω t ρgg − ρnn 2 . ⎧ 1 (1) ρng = L−1 ⎨− (ih )−1 μ ng Ee−i ωt ρ(0) − ρ(0) gg nn ⎩ 2 1 (0) (0) ⎫ ⎬ − (ih )−1 μ ng E*eiω t ρgg − ρnn ⎭. 2
149
⎛ 1⎞ ⎜ ⎜ Δω + i T ⎟ ⎟ ⎝ 2⎠ 1 ⎛ I⎞ 1 + Δω 2 + 2 ⎜ ⎟ ⎟ T2 ⎜ I ⎝ s⎠ .
(
(0) ) (ρ(0) gg − ρnn )
−1
.
2 / T2
χ" ω χ'
ω ng
population inversion
145
Nonlinear Optics
Consider
'
χ = χ' + iχ " ,
2 ω ng − ω Nμ (0) (0) χ = ρgg − ρnn 2 2 ε oh ω ng − ω + (1 / T2 )
II. For
χij tensor,
Pi = ε oχij E j
i Pi = N ρng μ ign + c. c.
(
)
)(
-1 N i j 1 (0) − χij = μ gnμ ng ω ng − ω − iT 2 ρ(0) gg − ρnn ε oh .
(
)
III. For isotropic medium, Due to symmetry consideration,
146
Nonlinear Optics
⇒ ⇒
P is parallel to E,
χ is scalar.
Assume 1/3 atoms will have their dipole transition moments parallel to E field,
χ=
1 N −1 -1 (0) μ gnμ ng ω ng − ω − iT2 ρgg − ρ(0) nn 3 ε oh -1 1 N 2 −1 ≅ μ ω ng − ω − iT2 3 εo h
0 det 0 0
− No / T1
Δ ω + i / T2 2iC
C No * C = (Δω + i / T2 )C = n T1 −1 / T1
∴
ρng
No (Δω + i / T2 )C n T1 = =− ⎡⎛ 2 1 ⎞ 1 d 4 2⎤ ⎢⎜ ⎜ Δω + T 2 ⎟ ⎟T +T C ⎥ ⎥ ⎢ ⎝ ⎣ ⎦ 2⎠ 1 2 ⎛ 1⎞ 1 ⎟ Δ ω + i μ ng Ee−iω t No ⎜ ⎜ ⎟ T2 ⎠ 2 h ⎝ =− 2 ⎞ 1 ⎛ 1 Δω 2 + 2 ⎜1 + 2 μ ng E T1T2 ⎟ ⎠ T2 ⎝ h .
(
)(
)
(
)
with
(0) ρ(0) gg = 1, ρnn = 0 . ( Eng >> kT )
Oscillator Strength for g → n transition,
f ng ≡
2 mω ng μ ng 3he2
2
with dimensionless unit.
(with summation over 3 dimensions
Ωng − ω = ωng − ω − i / T2 = Δω − i / T2
−Ω gn − ω = ωng − ω + i / T2 = Δω + i / T2
148
Nonlinear Optics
⇒
Δ ω − i / T2 0 C det 0 Δω + i / T2 C* −2 iC* 2iC −1 / T1 ⎡⎛ ⎤ 1⎞ 1 4 2⎥ 2 ⎢ ⎜ ⎟ = − ⎜ Δω + 2 ⎟ + C =d T T T ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ 2 1 2
With I =
1 2 1 Is = 2
P = N μ = N ρngμ gn + c. c .
2 NN o χ=− μ ng hε o
ε 2 E , μ ε μ −2 1 μ h T1T2 ,
(
)
* If I << Is , we are back to the results obtained from perturbation theory.
with •
1 ' Hng = − μ ng Ee −iωt + E*ei ωt 2 1 ' Hgn = − μ gn Ee−iω t + E*eiωt 2
neglect antiresonant terms.
[ [
] ]
•
ρng ~ e−iω t ρgn ~ e iω t
steady state
•
Assume initial population
There is no initial polarization,
(0) ρng = ρ(0) gn = 0 .
II.
Solve for
(1) ρng to first order for induced polarization.
P = N μ = N ρngμ gn + ρgn μ ng = N ρngμ gn + c. c. .
Nonlinear Optics
§ Linear Polarization (with density matrix)
• • I. solved by perturbation theory solved for
(1) ρng (for induced polarization) (0) (0) ρnn , ρgg .
∂ + iΩng . ∂t
(
)
( ( (
) ) )
144
Nonlinear Optics
(1) ρng = − (ih )−1(−iω + iΩ ng )
−1
− (ih )−1 iω + i Ωng
2 − 1 μ ng E − iω t (0) = Ω ng − ω e ρgg − ρ(0) nn 2h * −1 μ ng E iω t (0) (0) + Ω ng + ω e ρgg − ρnn 2h .
(
) (
)
,
1 / T2 Nμ (0) χ = ρ(0) − ρ nn 2 2 ε oh gg ω ng − ω + (1 / T2 )
"
2
(
) (). NhomakorabeaIn the limit of
χ << 1 ,
1/ 2
n = (1 + χ )
≅ 1+
= n' + in" .
eikz = e
i nω z c
1 1 χ = 1 + χ + iχ " 2 2
III. Consider steady state response,
(
) (
)
(1) = hΩ ρ + H ′ ρ (0) − ρ (0) H ′ & ng ih ρ nn ng ng ng ng gg
(1) + iΩ ρ = (ih )−1 H ′ ⎛ 0) (0)⎞ & ng ρ ⎜ρ( gg − ρ nn ⎟ ng ng ng
(
)
−1 1
1 (0) (0) μ ng Ee−iω t ρgg − ρnn 2
(0) μ ng E*e iωt ρ(0) gg − ρnn
(
)
(
)
(
)
(
)
.
(
)
(
)
Neglect anti-resonant term, recall Ωng ≡
(1) −1 ρng =( ω ng − ω − iT2 )
∑ f ng = 1)
n
χ=
Nf nge 2 2mω ng εo
(ω ng − ω − iT2−1) .
−1
Saturation in Two Level Atoms
If population disturbance is too large, we can not apply perturbation theory , ⇒ consider saturation.
⎝ ⎠
(1) + iΩ ρ = −(ih )−1 μ ⎡ Ee − iωt + E*eiωt ⎤⎛ 0) − ρ (0)⎞ & ng ρ ⎜ρ( gg nn ⎟ ⎢ ⎥ ng ng ng ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ 2
1
(1) ρng oscillates at both ω and -ω frequencies.
−1 ω ng − iT2 ,
(0) (0) − ρnn (ρgg ).
−1 μ ng E − iω t
2h
⎡
e
Recall P = N
(
(1) ρng μ gn + c. c . = ⎢ ε oχ Ee−iω t + c. c.⎥ . ⎣ ⎦
)
1 2
⎤
χ=
N −1 μ ngμ gn ω ng − ω − iT2 εo h
N ≡ ρnn − ρgg