考试复习-非线性光学
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。
一、非线性光学及其现象
3 2 ' (3) n ( ) E0 ( ) xxyy ( , ' , ' ) 4kc
克尔效应可以提供一种改变光波偏振状态的方法。例如，通常使用的非线性 介质硝基苯，没有恒定电场时，在光学上是各向同性的。当外加恒定电场后， 它就具有各向异性晶体的性质。这时，与E平行和垂直的光波通过它是，便产 生相位差：
•假定频率为ω的光波沿z方向传播, 由(5.1 3)式可得 n// ( ) n ( ) (5.1 - 5) K ( ) E02 ( )
对于偏振方向与频率ω‘光波相平行的光电场来说：
3 2 ' (3) n// ( ) E0 ( ) yyyy ( , ' , ' ) 4kc
• 有机非线性光学材料 • 有机晶体在合成和生长方面的特性使这类 材料最有机会成为可分子设计的光电功能 料．而且，有机材料在快速非线性光学响 应、大尺寸单晶生长 三次谐波产生等方面 都极富吸引力．
• 有机非线性光学材料具有无机材料所无法比拟 的优点： • (1)有机化合物非线性光学系数要比无机材料高 1—2个数量级； • (2)响应时间快； • (3)光学损伤阀值高； • (4)可以根据要求进行分子设计。 • 但也有不足之处：如热稳定性低、可加工性不 好，这是有机NLO材料实际应用的主要障碍。
• 高分子非线性光学材料和金属有机非线性 光学材料就是针对有机NLO材料的热稳定 性低、可加工性不好等不足应运而生的。 高分子NLO材料在克服有机材料的加工性 能不好和热稳定性低等方面是十分有效的， 若在非线性效应方面再得以优化，将是一 类很有前景的新材料。
• 非线性光学材料的实用化应具备以下几个 条件； • ①非线性极化率较大，转换率高； • ②光损伤阈值高； • ③光学透明而且均一的大尺寸晶体； • ④在激光波段吸收较小， • ⑤易产生位相匹配， • ⑥化学及热稳定性较好，不易吸潮 • ⑦制备工艺简单，价格使宜。
【大学物理必备】非线性光学
h
k2 (2 ) 。介质首先吸收两个光子，然后发射一个倍频
h
2h
光子（见图 4-3）。根据动量守恒定律，有
2k1( ) k2 (2 )
(4.7)
k
n
k 0
c
吸收双光子发射倍频光子
k0 是单位矢量，于是有
图 4-3
n1() n2 (2)
(4.8)
式（4.8）表明基频光的相速等于谐频光的相速。设晶体平行块的厚度为 l，当垂直入射的
x (1)
E0
sin t
1 2
x (2) E02 (1
cos 2t )
1 4
x
(3)
E
3 0
(3sin
t
sin
3t
)
(4.5)
1 2
x
(
2)
E
2 0
( x (1) E0
3 4
x (3) E03 ) sin t
1 2
x (2)
E02
cos 2t
1 4
x (3)
E03
sin 3t
P0 P1 P2 P3
非线性效应
一、光参量放大
光参量放大是一种和频与差频的非线性效应。将两种不同频率的光入射到晶体中，则
有
E E01 sin 1t E02 sin 2t
(4.12)
其中， 1 为弱信号光的频率， 2 为强高频光的频率。由于有非线性效应，故
P E012 sin2 1t E022 sin2 2t 2E01E02 sin 1t sin 2t
第四章 非线性光学
非线性光学是现代光学的另一个重要分支，它是研究强光的光学规律的一门学科，与 新材料、新技术有密切的联系。
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。
非线性光学知识点总结
非线性光学知识点总结1. 非线性光学基础知识1.1 非线性极化在非线性光学中，光在介质中的传播会引起介质极化现象。
通常情况下，介质的极化与光场的电场强度成正比。
在非线性光学中，介质的极化与光场的电场强度不再呈线性关系，而是存在非线性极化效应。
非线性极化效应包括二阶非线性极化、三阶非线性极化等。
1.2 介质的非线性光学特性介质的非线性光学特性通常由介质的非线性极化特性决定。
不同类型的介质具有不同的非线性极化特性，如各向同性介质、各向异性介质、非晶介质等。
介质的非线性光学特性对于光的强度、频率、极化方向等都有影响。
2. 非线性光学效应2.1 二次谐波产生二次谐波产生是一种光学非线性效应，它是指当一个介质中的光场具有足够强的非线性极化能力时，光会发生频率加倍的现象。
这种效应通常用于频率加倍和广谱显示等光学应用。
2.2 自聚焦效应自聚焦效应是一种非线性光学效应，它是指在介质中传播的光束因介质本身的非线性光学特性而产生自聚焦的现象。
自聚焦效应可用于激光聚焦、钻孔加工等应用。
2.3 自相位调制效应自相位调制效应是一种光学非线性效应，它是指光在介质中传播时，介质的非线性光学特性引起了光场相位的调制现象。
自相位调制效应对于光信息处理、光通信等领域具有重要意义。
3. 非线性光学器件3.1 光学双折射晶体光学双折射晶体是一种常用的非线性光学器件，它具有很强的非线性极化特性，可用于二次谐波发生、自聚焦等应用。
3.2 光学相位共轭镜光学相位共轭镜是一种利用光学非线性效应实现的器件，它可以实现光的自相位调制、波前修正等功能，可应用于激光稳频、激光通信系统等领域。
3.3 光学非线性晶体光学非线性晶体是一种常用的非线性光学器件，它具有很强的非线性极化特性，可用于二次谐波发生、频率加倍、光学调制等应用。
4. 非线性光学应用4.1 激光频率加倍激光频率加倍是一种常用的非线性光学应用，它可以实现激光的频率加倍，从而获得更高的激光频率。
非线性光学考试答案
闭卷题1.什么是非线性效应？答：非线性光学效应的唯象描述为⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅+⋅=E E E p)2()1(χχ标量形式为⋅⋅⋅⋅⋅⋅+++=32E E E p γβα2.非线性效应的应用价值。
(1) 利用非线性光学效应能够改变或控制激光器的参数通过谐波、混频、参量振荡和放大及喇曼散射过程，可以做成各种变频器，即可将一种频率的激光辐射转换为另一种波段的相干辐射，而且这种转换效率可以做得很高。
这对扩展相干辐射的波段具有相当重要的意义。
利用非线性光学效应还可以改变或控制激光器输出的其它特性，如：脉宽、功率、频率稳定性等。
(2)利用非线性光学效应研究介质本身的原子或分子的微观性质由于可调谐激光器的发展，为利用共振增强的非线性光学效应研究原子或分子的高激发态及至自电离态提供了可能性。
(3)某些非线性效应也制约了强激光在介质中的传输3.波动方程组推导。
答：麦克斯韦方程J tH tB=⋅∇=⋅∇+∂∂=⨯∇∂∂-=⨯∇ρ 物质方程0+=ε 0μ= σ=()E B t∂∇⨯∇⨯=-∇⨯∂000B H D J tμμμ∂∇⨯=∇⨯=+∂()NL 00022E E P E t t tμεμμσ∂∂∂∇⨯∇⨯=-⋅--∂∂∂根据矢量关系：()2E E E ∇⨯∇⨯=∇∇⋅-∇由()NL D E P 0ε∇⋅=∇⋅⋅+= 得出E 0∇⋅= （ε 和NL P都不是空间坐标函数）()NL 200022E E E P t t tμσμεμ∂∂∂∇=+⋅+∂∂∂为非线性介质中的波动方程。
这就是所要求的电场源P 产生的光波电场E随时间、空间变化的波动方程。
形式上类似于经典的强迫振动方程，式中右边第一项是阻尼项，第三项是激励项，即电极化强度P 作为场的激励源。
由它激发电磁场。
知道P 可以求场E 。
4.耦合方程组的推导。
答：(),E E r t =是空间坐标和时间t 的函数，通常是不同频率分量之和()(),,n nE r t E r t =∑同样非线性电极化强度也写成多个频率分量之和()(),,NL NL n nP r t P r t =∑每一个频率分量用复振幅表示，并沿空间z 方向传播()(),.n n ik z i n n E z t E z e c c ω-=+()(),..n n NL ik z i t n n P z t E z e c c ω-=+对每一个频率分量都满足波动方程，并假设介质无损耗()0σ=()()()22200222,,,NL n n n E z t E z t P z t z ttμεμ∂∂∂⎡⎤=+⎣⎦∂∂∂方程左边：()()()()()()222222n n n n n n n n n n n n ik z i t ik z i tn n n n ik z i t ik z i t ik z i t n n nE z E z e ik E z e z z z E z E z e ik e k E z e z zωωωωω-----⎡⎤∂∂∂=+⎢⎥∂∂∂⎢⎥⎣⎦∂∂=+-∂∂方程右边 ()()'200222200,n n nn NLnn NL ik z i t ik z i tn n n n P E z t t t E z e P e ωωμεμμωεμω--∂∂⎡⎤⋅+⎣⎦∂∂=-- 方程左右两边消掉n i teω-项，并令'n n n k k k ∆=-()()()22220022n NLn n i k z n n n n n n E z E z ik k E E P z e z zμωεμω-∆∂∂+-=-⋅-∂∂线性响应条件且介质无损耗条件下，0NL n P = ，()()22,,0;0n n E z t E z t z z∂∂==∂∂()()220n n n n k E z E z μωε=⋅在非线性响应条件下，0NLn P ≠()()()2022n NLn n i k z n n n E z E z ik P z e z zμω-∆∂∂+=-∂∂在慢变化振幅近似下，即 ()()22n n n E z E z k z z∂∂∂∂ 振幅空间慢变化近似的物理意义：在空间约化波长2λπ的范围内，振幅变化很小，可以忽略。
非线性光学试题答案
非线性光学试题1、简要说明线性光学与非线性光学的不同之处。
线性光学：光的独立传播定理；光的传播方向、空间分布在传播过程中可以发生变化，但光频率不发生变化；介质的主要光学参数只是入射光频率与偏振方向的函数，与光的强度无关。
非线性光学：光的独立传播定理不成立；光在传播过程中频率可能发生变化；介质的折射率与入射光的强度有关2、证明具有反演对称中心的晶类，其偶数阶非线性极化率为零。
证明：设A 为某对称操作，对于二阶非线性极化率(2)χ有(2)(2)'ijk ia jb kc ijkA A A χχ=，类似地，对于n 阶非线性极化率()n χ有()(2)......'...n ijk l ia jb kc lf ijk l A A A A χχ= 对于极化率张量(2)χ，实施对称操作后应保持不变，即(2)(2)'ijk ijk χχ= 所以(2)3(2)(1)ijk ijkχχ=-； 同理()(1)()......(1)n n n ijk l ijk l χχ+=-，当n 为偶数时，()...n ijk l χ为零3、 KDP 晶体是负单轴晶体，考虑I 类位相匹配。
(1) 设光波矢均沿（θ，ϕ）方向，求出此时有效非线性系数eff d 的表达式注：已知KDP 晶体的非线性系数矩阵为141436000000000000000d d d ⎧⎫⎪⎪⎨⎬⎪⎪⎩⎭（2）若要得到最佳倍频输出，问光波矢的方向（θ，ϕ）应取何值。
解：（1） 负单轴I 类：(2)eff jk i ijk j k d b d a a δ=-，其中，sin cos 0j a ϕϕ⎛⎫ ⎪=- ⎪ ⎪⎝⎭，cos cos sin cos sin j b ϕθϕθθ-⎛⎫⎪=- ⎪ ⎪⎝⎭所以，36362sin sin (cos )sin sin 2eff d d d θϕϕθϕ=-=-（2）222221/22222))arcsin[()]))((((eo o mooen n n n n n ωωωωωωθ-=- ，得到41o m θ=；将m θ代入上面的eff d 表达式，易得45o ϕ=因此，要得到最佳倍频输出，光波矢方向为(41,45)o o3 B 、考虑BBO 晶体中的II 型（o e e +→）相位匹配下的共线传播倍频过程2ωωω+→；（1）设光波矢均沿（θ，ϕ）方向，求出此时有效非线性系数eff d 的表达式。
非线性光学习题
1
d S2
1
d S3
1 dz 2 dz
3 dz
请详细说明上式表述的物理意义
8. 应用晶体什么性质达到相位匹配条件？ 9. 什么是相位匹配？什么是相位失配？ 10. 为什么满足相位匹配条件倍频光就强？ 11.倍频晶体越长越好吗？为什么？ 12. 什么激光器采用腔外倍频？为什么？ 13. 什么激光器采用腔内倍频？为什么？ 14. 倍频晶体通常放在激光的什么位置？为什么？ 15. 什么是光散射？ 16. 用经典物理学的观点说明光散射的物理机制 17. 受激拉曼散射与普通拉曼散射的区别
非线性光学习题 1. 非线性光学效应产生的基本条件 2. 为什么强光入射时才能产生非线性光学效应？ 3. 电极化强度矢量P是表征什么的物理量？ 4. 什么是非线性电极化？ 5. 非线性电极化率的性质？ 6. 所有晶体都能产生倍频光吗？什么晶体可以产
生二次非线性效应？ 7. 门雷－罗威关系：
1
d S1
17. 受激拉曼散射过程中，产生二级stokes谱线和反 stokes谱线的原因是什么？
18. 什么是受激自旋反转拉曼散射？ 19. 利用受激自旋反转拉曼散射如何得到可调谐激光？ 20. 什么是纯净介质的瑞利散射？ 21. 什么是布里渊散射？
1. 非线性光学效应产生的基本条件
2. 电极化强度矢量P是表征什么的物理量？
3. 什么是非线性电极化？
4. 非线性电极化率的性质？
5. 所有晶体都能产生倍频光吗？什么晶体可以产
生二次非线性效应？
6. 应用晶体什么性质产生倍频光？ 7. 用经典物理学的观点说明光散射的物理机制 8. 受激拉曼散射与普通拉曼散射的区别 9. 受激拉曼散射过程中，产生二级stokes谱线和反
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原理, 特点, 相位匹配关系, 非线性极化强度
五. 其他非线性现象
非线性光学 Nonlinear Optics 复习 胡巍 目录 1. 非线性基本 概念 2. 光的传播及 耦合波方程 3. 二阶非线性 过程 4. 三阶非线性 过程 5. 其他非线性 现象 考试
光纤中的非线性效应: 单模与多模光纤, 群速度色散, 自相位调制, 光孤子
2
3
4
5
6
一. 非线性基本概念
非线性光学 Nonlinear Optics 复习 胡巍 目录 1. 非线性基本 概念 2. 光的传播及 耦合波方程 3. 二阶非线性 过程 4. 三阶非线性 过程 5. 其他非线性 现象 考试
线性极化率的基本概念: 复数表示法, 因果性原理, 线性极化率, 介电常数, 色散, KK关 系
极化率的一维谐振子经典模型
非线性极化率的基本概念: 非线性极化强度, 非线性极化率, 张量性质, 简并因子 极化率的性质: 真实性条件, 本征对易性, 完全对易性, 时间反演对称性, 空间 对称性
二. 光的传播及耦合波方程
非线性光学 Nonlinear Optics 复习 胡巍 目录 1. 非线性基本 概念 2. 光的传播及 耦合波方程 3. 二阶非线性 过程 4. 三阶非线性 过程 5. 其他非线性 现象 考试
小结
非线性光学 Nonlinear Optics 复习 胡巍 目录 1. 非线性基本 概念 2. 光的传播及 耦合波方程 3. 二阶非线性 过程 4. 三阶非线性 过程 5. 其他非线性 现象 考试
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1. 非线性基本概念 2. 光的传播及耦合波方程 3. 二阶非线性过程 4. 三阶非线性过程 5. 其他非线性现象 考试
目录
非线性光学 Nonlinear Optics 复习 胡巍 目录 1. 非线性基本 概念 2. 光的传播及 耦合波方程 3. 二阶非线性 过程 4. 三阶非线性 过程 5. 其他非线性 现象 考试
1
1. 非线性基本概念 2. 光的传播及耦合波方程 3. 二阶非线性过程 4. 三阶非线性过程 5. 其他非线性现象 考试
光在晶体中的传播: 各向同性与各向异性, 单轴晶体和双轴晶体, o光和e光, e光的 折射率, 走离效应, 耦合波方程: 慢变包络近似, 准单色近似, Manley-Rowe关系, 相位匹配: 第一类与第二类相位匹配, 临界和非临界, 影响相位匹配的因 素, 相位匹配角的计算
三. 二阶非线性过程
非线性光学 Nonlinear Optics 复习 胡巍 目录 1. 非线性基本 概念 2. 光的传播及耦合波方程 3. 二阶非线性 过程 4. 三阶非线性 过程 5. 其他非线性 现象 考试
考试
非线性光学 Nonlinear Optics 复习 胡巍 目录 1. 非线性基本 概念 2. 光的传播及 耦合波方程 3. 二阶非线性 过程 4. 三阶非线性 过程 5. 其他非线性 现象 考试
闭卷, 1月14日8:30-11:30 问答题占2/3, 围绕基本概念,原理,性质等 计算题占1/3: 公式推导, 简单计算等(最终计算式列出即可) 靠概念和理解, 不用背公式, 需要用到的公式基本都会给 出. 需要记忆的公式: 非线性极化率和极化强度
Kerr效应, 光Kerr效应: χ(3) (ω; ω, ω, −ω); 非线性折射率, 自作用和互主要克尔效应, 自聚焦, Z-Scan 三倍频过程: χ(3) (3ω; ω, ω, ω); 四波混频过程: χ(3) (ω4 ; ω1 , ω2 , ω3 ); 简并四波混频, 相位匹配方式, 相位共轭概念,原理和产生方 法;
倍频: 有效倍频系数,
最佳相位匹配
混频和参量过程: 和频, 差频, 频率上转换, 参量放大, 参量震荡 线性电光效应: 非线性极化强度, 有效折射率, 介电常数, Pockel盒
四. 三阶非线性过程-参量过程
非线性光学 Nonlinear Optics 复习 胡巍 目录 1. 非线性基本 概念 2. 光的传播及 耦合波方程 3. 二阶非线性 过程 4. 三阶非线性 过程 5. 其他非线性 现象 考试
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复习
非线性光学 Nonlinear Optics 复习 胡巍 目录 1. 非线性基本 概念 2. 光的传播及 耦合波方程 3. 二阶非线性 过程 4. 三阶非线性 过程 5. 其他非线性 现象 考试
非线性光学 Nonlinear Optics 复习
胡巍
华南师范大学光子信息技术实验室
January 6, 2011
3. 三阶非线性过程-非参量过程
非线性光学 Nonlinear Optics 复习 胡巍 目录 1. 非线性基本 概念 2. 光的传播及 耦合波方程 3. 二阶非线性 过程 4. 三阶非线性 过程 5. 其他非线性 现象 考试
受激Raman散射; 原理, 特点, 相位匹配关系, 非线性极化强度 受激Brillouin散射; 原理, 特点, 相位匹配关系, 非线性极化强度