非线性光学-哈尔滨工业大学
非线性光学的基础理论与前沿应用
非线性光学的基础理论与前沿应用随着物理学的发展，研究光学现象成为一个重要的研究方向。
光学已经不再仅仅被视作经典物理学的一部分，而是成为了自然界极为重要的现象之一。
近年来，非线性光学发展迅速，成为了当前前沿的研究领域之一。
本文将对非线性光学的基础理论和前沿应用做一篇介绍。
一、非线性光学的基础理论从基础理论的角度，非线性光学是在介质中具有非线性光学响应的一种现象。
即在光线作用于介质时，介质将会响应，且辐射出比光束原有强度更大的辐射。
这种现象的发生源于介质中的电子、原子、分子等电荷在光场的相互作用中，发生能量交换与相互作用，产生对光的影响。
当外界光场强度较小时，物质对光的响应呈线性关系。
但是当光场强度达到极高时，物质会表现出非线性响应。
其中最常见的非线性现象是二次谐波发生（Second Harmonic Generation，简称SHG）和三次谐波发生（Third Harmonic Generation，简称THG）。
由于非线性效应的发生，在现代光学中，光的作用不再停留于传递、衍射等基本的物理效应，而包含了丰富多样的现象。
其中，非线性光学在通讯、光电领域，甚至生物医学领域中都发挥着重要的作用。
二、非线性光学的前沿应用1、光通信器件在现代通讯领域中，光器件是基础设施之一。
通过提高传输速率、信号质量，降低干扰等手段，光器件逐渐替代了传统电器件。
其中，非线性光学在光器件的研究与开发中起到了重要的作用。
比如光纤放大器中，非线性效应能够扩宽波长放大光带，同时提高系统的传输距离和可靠性。
2、激光技术在激光技术中，利用非线性光学原理，可以实现激光器的频率转换。
对于化学、生物、环境、安全、国防等领域，激光技术的应用都具有非常重要的意义。
有些基于激光的扫描显微镜等技术甚至已经被成功应用于医学领域。
3、光学计算非线性光学在计算领域的应用，最重要的手段是光学迭代计算。
它比传统计算方法更快、更节约成本、更加精确，其效果可以在单位时间内完成的数据计算不断增长。
非线性光学技术的应用及其优劣
非线性光学技术的应用及其优劣非线性光学技术是研究激光与物质相互作用的一种重要手段，它已经广泛应用于物理、化学、材料科学、生物医学等多个领域。
本文将探讨非线性光学技术的应用及其优劣。
一、非线性光学技术的原理非线性光学技术是建立在激光与物质相互作用的基础上的。
通常情况下，光与物质之间的相互作用是线性的，即光的强度和物质的响应成正比。
而当光强度达到一定程度时，物质的响应就会变得非线性。
非线性光学技术利用这种非线性响应来产生一些有趣的现象。
例如，产生二次谐波、三次谐波等。
此外，非线性光学技术也可以利用非线性响应来实现光调制、频率转换、光混频等功能。
二、非线性光学技术在物理学中的应用非线性光学技术在物理学中有着重要的应用。
例如，在强场物理学中，非线性光学技术可以用来研究高级材料在极端条件下的行为。
此外，在超冷原子物理学中，非线性光学技术也被广泛应用，可以用来研究玻色-爱因斯坦凝聚、费米气体等现象。
三、非线性光学技术在化学中的应用非线性光学技术在化学中的应用也非常广泛。
例如，在化学动力学中，可以利用非线性光学技术来探测化学反应的物质浓度和速率。
此外，非线性光学技术也可以用来研究医药化学中的荷电分子和离子的行为。
四、非线性光学技术在材料科学中的应用非线性光学技术在材料科学中的应用也相当重要。
例如，在半导体中，非线性光学技术可以用来研究材料的光学特性和电子结构。
此外，在材料加工中，非线性光学技术也可以用来实现微细加工和表面改性。
五、非线性光学技术在生物医学中的应用非线性光学技术在生物医学领域也有着广泛的应用。
例如，在生物分析中，非线性光学技术可以用来探测细胞活性和病毒分析。
此外，在生物成像中，非线性光学技术也可以用来实现高分辨率成像和活体三维成像。
六、非线性光学技术的优劣虽然非线性光学技术在多个领域中都有着广泛的应用，但它也有着一些不足之处。
例如，在实际应用中，非线性光学技术需要较高的能量和处理时间。
此外，非线性光学技术对环境干扰的敏感度也比较高。
非线性光学理论及应用
非线性光学理论及应用光学是研究光线的传播、反射、折射和干涉等现象的科学。
而非线性光学则是在介质中，当光强足够强时，光可以与介质的原子或分子发生相互作用，使光的传播和性质发生非线性变化的现象。
非线性光学理论的建立和发展，为我们认识和研究光的本质提供了新的途径和工具。
一、非线性光学的基本理论非线性光学是在麦克斯韦方程组的基础上进行研究的。
（1）非线性极化非线性光学的基本性质是介质的非线性极化，即介质在高光强下的电介质常数不再是一定的常数，而是与电场强度的高次幂相关的非线性函数。
假设光由强度为E的电场驱动，在非线性介质中传播，描述光束传播的方程为非线性波动方程：▽^2E-1/c^2∂^2E/∂t^2=(4π/c^2)∂^2PNL/∂t^2其中，PNL表示非线性极化，并可表达为PNL=χ(2)EE+χ(3)EEE+χ(4)EEEE+...其中，χ(n)为非线性极化系数，其中n表示相应于n次光强的非线性极化。
当光强小，电介质常数不再是非线性函数，介质具有线性特性。
（2）非线性效应非线性光学效应包括三个方面：非线性极化、非线性色散和自相位调制。
非线性极化是非线性光学效应的主要表现形式，包括二次和三次非线性极化。
其中二次非线性极化是倍频和混频实现的基础，三次非线性极化是各种非线性光学效应的基础，包括自相位调制、和谐共振等。
（3）非线性光学效应的数学描述非线性光学效应的数学描述可以通过复数形式进行分析，即将电场分为实部和虚部，每个信号都可以表示为一个频率ω和一个空间轴的函数，即E=E0exp(iωt-ikz)其中，E0为振幅，ω为角频率，k为波矢量，z为传播距离。
振幅E0可以分为实部和虚部表示：E0=Aexp(iΦ)其中，A和Φ分别是幅度和相位，可以看作是非线性光学效应的输出信号。
二、非线性光学的应用非线性光学应用广泛，包括在光通信、光储存、光信息处理、光测量等领域。
下面介绍一些典型的应用。
（1）倍频和混频倍频是通过二次非线性极化实现的，原理是将一个频率为ω的激光束通过非线性晶体，将其升频到2ω，可以被应用于全固态激光器。
哈工大博士研究生考试科目参考书目录
哈尔滨工业大学博士生入学考试科目参考书目录EDA技术[2217]半导体器件物理[2218]微波技术曼着；《小波分析与分数傅里叶变换及应用》，国防工业岀版社，冉启文，谭立英着；《分数傅里叶光学导论》，科学出版社，冉启文，谭立英着；[2216]《超大规模集成电路设计方法学导论》，清华大学岀版社，杨之廉；《数字专用集成电路的设计与验证》杨宗凯黄建杜旭编着电子工业出版社；《数字集成电路——电路、系统与设计（第二版）» Jan M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic ，周润德等译，电子工业岀版社； [2217]《半导体器件物理》，科学岀版社，王家骅；《现代半导体器件物理》，科学出版社， [2218]《微波技术》，哈工大岀版社，2006年版，吴群主编；《微波工程技术》，吴群主编，哈工大岀版社，2008年修订版。
025化工学院[2071]高分子化学与物理[2072]物理化学[2073]高等生物化学[2071]《高聚物的结构与性能》，科学岀版社，马德柱、何平笙；[2072]《物理化学》（上册，下册），高等教育出版社，南京大学物理化学教研室，傅献彩，沈文霞，姚天扬编；[2073]《生物化学》，清华大学岀版社，王希成。
027市政环境工程学院[2271]高等流体力学[2272]污染控制微生物学[2273]水分析化学[2274]水力学[2275]微生物学[2276]生物化学[2277]高等传热[2278]物理化学[2279]化工原理[2271]《流体力学基础》（上、下册），机械岀版社1982，潘文全主编；《流体力学》（第二版）上、下册、2000，高等教育岀版社，周光垧等编着；[2272]《污染控制微生物学》（第三版），哈工大岀版社2004 （2007.2重印），任南琪马放等编着；《环境污染防治中的生物技术》，北京化学工业出版社 2004，任南琪李建政主编；《环境工程微生物学》，北京化学工业出版社2004，李建政主编；[2273]《水分析化学》（第三版），中国建筑工业出版社，黄君礼[2274]《水力学》（上、下册），高等教育岀版社1995董曾南主编；《流体力学》（第二版）上、下册、2000，高等教育岀版社，周光垧等编着；[2275]《微生物学教程》（第2版），高等教育岀版社2002，周德瑞，《环境污染防治中的生物技术》，化学工业岀版社2004，任南琪，李建政主编；《污染控制微生物生态学》，哈尔滨工业大学出版社2005，李建政任南琪主编； [2276]《生物化学》（第三版）上、下册，高等教育出版社，王镜岩等；[2277]《高等传热学》（第二版），上海交通大学出版社，2004，杨强生等编着；，《工程传热传质学》，航空工业岀版社，1989，朱谷君主编；《工程传热传质学（上册）》，科学岀版社，1998，王补宣着；，《传热与传质分析》，科学岀版社， 1983，等着，航青译；《对流传热传质分析》，西安交通大学岀版社，1991，王启杰；《热传导理论》，高等教育出版社，1992，张洪济；《对流传热与传质》第四版中文版，高等教育岀版社，2007，凯斯等编着，赵镇南译；《对流换热》，高等教育出版社，1995，任泽霈。
非线性光学材料研究及应用
非线性光学材料研究及应用非线性光学是近年来发展最快的光学领域之一。
与线性光学不同，非线性光学是关于光的相互作用的，只有当光强度超过一定的阈值时，才会出现非线性效应。
而非线性光学材料，便是指这种非线性光学效应的发生与表现所需要的一种材料。
一、非线性光学的基础非线性光学研究的主要对象是光与物质的相互作用，即光与物质的媒介之间的相互作用。
物质的分子、原子或其他微观粒子（如晶格中的离子等）与光场的相互作用，是通过微观的相干过程来实现的。
光和物质的相互作用是由光的电场分量产生的。
在非线性光学中，只考虑电场的强度（即振幅）影响物质的响应，忽略了电场的相位影响。
基于非线性光学材料的非线性效应，可以实现多种光学器件的制作，如光电开关、光学调制器、光学逻辑器、光学计算器等，这些光学器件都有着重要的应用价值。
因此，非线性光学的研究在光通信、信息、材料科学等领域都具有广泛的应用前景。
二、非线性光学材料的种类非线性光学材料的种类非常广泛，其中最具代表性的就是非线性晶体。
非线性晶体的非线性效应主要是由于其宏观尺度上的非中心对称性而形成的。
非线性晶体中，最典型的非线性效应就是二次谐波发生，即当一束激光分别作用在材料上，可直接形成其一倍频、二倍频或三倍频等多种频率变化的光谱输出。
此外，还有非线性光学吸收材料、非线性荧光材料、非线性折射材料等，这些材料的非线性效应发生原因不同，具有不同的功能。
三、非线性光学材料在实际应用中的作用非线性光学材料在实际应用中，可具有多种重要作用。
在信息技术领域，非线性光学材料可用于制造高速数据传输的光通信器件，如光电开关、光纤调制器、光电调制器等；在光电子学领域，非线性光学材料常被用于制造激光器、探测器、光学传感器等；在生物医药领域，非线性光学显微技术可用于生存细胞、组织等生物样本的成像。
综上所述，非线性光学材料的研究及应用一直是国内外光学领域的热点之一，随着时代的发展和技术的不断进步，非线性光学材料的应用范围也越来越广泛，未来还有巨大的发展潜力。
哈尔滨工业大学硕士研究生招生专业目录
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4.现代制造系统管理理论
5.战略管理与现代企业运营
哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室
、激光新介质
光谱与
激光等。取得的成果主 ：
明一 1项、二 1项,省部级
2项。
重点实验室下属的中红外固体激光 现 授2人， 授2人,博士生10 人，二十余年一直从事
非线性光学频率转换 和2 pm激光器研究。
率 将中红外固体激光器平均功率提
瓦量
级,取得一系列应用成果，
得
总公司一
1项，黑 省科学 一
1项（自然类）、
2项。
伦（1967—），教授/博导，主要从事2 pm单频激光器及中红外波长转换技术研究，获省部级一等奖
2项，二 1项。
段小明（1981—），副教授,主要从事新型2 pm激光器和非线性频率转换技术研究，获省部级一等奖
1项，二 1项。
（1981—），副教授，主要从事2 1项、
3项。
主成：
姚宝权（1970—）,教授,博士生 ，主 从事基于2 pm泵浦源的中长波红外非线性光学频率转换技
术研究， 主持承担 自然科学基金项目和省部级重点项 项，发表SCI收录论文200 篇，他引
2 000 ，授权
明专利10 项。作为第一 人,获得省部级一
1项,二等奖1项，三
第49 第8期 2020 年 8
人工晶体学报
JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS
Vol. 49 Na. 8 August, 2020
哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室
大学
激光
级重点实验室由已故中科院院士、“全
”、著
防科
专
光教授创建。实验室主要研究
：非线性光学 与应用、激光空 息
非线性光学的基本原理与应用
非线性光学的基本原理与应用非线性光学是研究光与物质相互作用时引起的非线性效应的一门学科。
与线性光学不同，非线性光学研究的是强光场下，光与物质之间的非线性相互作用过程。
它涉及到光强、偏振、频率等多个方面的因素，包括一些重要的效应和现象，如倍频、和谐生成、光学全息、自聚焦等。
非线性光学不仅在基础研究方面有重要作用，同时在信息处理、光通信、激光技术等众多领域也有广泛应用。
一、基本原理：非线性光学的基本原理可以从哈密顿量的角度进行解释。
在经典电动力学中，电子受到电磁场的作用时，其运动方程为：m(d²r/dt²) = -e(E + v×B)其中，m为电子的质量，r为电子的位置矢量，t为时间，e为电子的电荷量，E为电磁场对电子的电场，B为电磁场对电子的磁场，v为电子的速度。
在非线性光学中，介质的极化强度与电场的关系不再是线性的，而具有非线性的电场-极化关系。
这是因为电子在强光场作用下，其运动方程中的二次项和更高次项不能忽略。
二、效应与应用：1.倍频现象：倍频效应是非线性光学中最常见的效应之一。
它利用非线性光学晶体的非线性光学性质，将输入光的频率倍增。
这种倍频现象被广泛应用于激光技术领域，可用于制造高功率激光器、红外光学器件等。
2.和谐生成：和谐生成是通过非线性光学晶体实现将输入光的频率与光学晶体本身的特征频率相结合的过程。
这种效应可以用于制造光学频率标准器、精密测量仪器等。
3.光学全息：光学全息是利用非线性光学效应来记录和再现物体的全息图像。
它具有高分辨率、大容量等优点，在图像存储、光学图像处理等方面有广泛应用。
4.自聚焦：自聚焦效应是在大光强场作用下，物质的折射率随光强变化而引起的对光的聚焦。
这种效应广泛应用于激光切割、光通信等领域。
5.光学非线性材料：非线性光学材料是利用非线性光学效应制备的材料，具有改变光学特性、电光效应、光致变色等特点。
这类材料在信息存储、光通信、光信息处理等方面有广泛应用。
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博士生入学专业综合考试大纲
课程名称：非线性光学
考试科目名称：非线性光学
一.考试要求
非线性光学研究强光与物质相互作用的各种与高阶极化有关的现象，是现代光子技术的基础。
要求考生了解非线性光学的发展过程和发展趋势、掌握非线性光学的基本理论、研究方法，以及能够利用非线性光学的基本理论分析非线性光学现象。
二.考试内容
1．介质的非线性极化
非线性介质的波方程
非线性极化率
K-K色散关系
2．光学三波耦合过程
三波耦合方程
光学二次谐波
光学和频、差频和参量过程
3．光学四波耦合过程
三次谐波与四波混频
光学相位共轭
4．非线性折射效应
光学克尔效应
光束自聚焦
5．非线性光散射
受激拉曼散射
受激布里渊散射
6．非线性光吸收与光折射
饱和吸收与反饱和吸收
饱和折射与反饱和折射
双光子吸收
7．光学双稳性与光学混沌
稳态光学双稳性
光学双稳性的不稳定性
8．光脉冲在光纤中的传播
非线性薛定谔方程
群速色散与自相位调制
光孤子的形成与特性
9．非线性全光开关
线性与非线性光耦合器
低功率环腔全光开关
三. 试卷结构
考试时间为90分钟，满分为50分。
1. 题型结构
概念题20分
分析证明题20分
应用题10分
2. 内容结构
基本概念的理解；非线性耦合波的推导；耦合波方程的求解，相位匹配角的计算，光学相位共轭的证明，光学参量振荡的阈值条件，非线性光吸收与光折射模型，光纤中群速色散与自相位调制，光孤子的形成，全光开关原理。
注意上述内容的综合运用。
四.参考书目
1.李淳飞.《非线性光学》.哈尔滨：哈尔滨工业大学出
版社，2005年。