非线性光学3
三阶非线性光学材料合成及应用研究
三阶非线性光学材料合成及应用研究光学材料是一种非常重要的研究领域，它在众多领域中都有广泛的应用，如光电子学、激光技术、传感技术等。
三阶非线性光学材料是一种性质独特的材料，它在分子结构、光学有机材料合成及应用中有广泛的研究价值和应用前景。
本文将简单介绍三阶非线性光学材料的合成及应用研究现状。
一、三阶非线性光学材料的基本概念三阶非线性光学材料是一种材料，在光学上表现出一种非线性特性。
在国际上，由于研究人员对于这种特性的认知分布较为一致，对于三阶非线性光学材料的定义也较为稳定。
一般而言，三阶非线性光学材料是指通过分析材料分子的三阶非线性极化率而生成的一种光学材料，其中极化率表示了光学材料在光子激发下电子能级迁移后所产生的宏观正电荷分布及负电荷分布。
二、三阶非线性光学材料的合成方法目前，三阶非线性光学材料的合成方法多种多样，主要包括物理合成方法和化学合成方法。
在物理合成方法中，主要依托于制备技术的进步及新型放大器的应用，通过控制光学性质来制备三阶非线性光学材料。
而在化学合成方法中，可采用分子合成、溶液合成、凝胶合成等方法，通过控制分子结构及运用化学技术来制备三阶非线性光学材料。
三、三阶非线性光学材料的应用研究三阶非线性光学材料在能量或动量传递的过程中，对光场进行强烈的非线性作用，产生了许多有意义的应用。
例如，可在光速复用技术、光记忆、光·电子自由振幅放大器（EOPA）等领域中被应用。
此外，三阶非线性光学材料还可应用于二光子激光显微成像技术、多光子聚焦显微成像技术、多通道多光子显微镜等领域。
四、结语随着现代科技水平的不断提高，三阶非线性光学材料的研究及应用价值也越来越受到人们的重视。
其在多个领域中均有广泛的应用前景，如新型光电器件、激光技术、传感技术等。
同时，不同于传统的光学材料，三阶非线性光学材料还具有较高的分子有机性能，可创造更高效、更精确的光学成像及探测方法。
因此，它也是目前研究领域中非常重要的一种材料。
非线性光纤光学第三版课后题答案
非线性光纤光学第三版课后题答案1、3．有的力可能只有受力物体，没有施力物体．[判断题] *对错(正确答案)2、探究物体所受滑动摩擦力大小与物体对接触面的压力的关系时，物体所受重力大小是需要控制的变量[判断题] *对错(正确答案)答案解析：需要控制接触面的粗糙程度相同3、36.关于热现象和热学规律﹐下列说法正确的是（）*A.布朗运动表明，构成悬浮微粒的分子在做无规则运动B.两个分子的间距从极近逐渐增大到10ro的过程中，分子间的引力和斥力都在减小(正确答案)C.热量可以从低温物体传递到高温物体(正确答案)D.物体的摄氏温度变化了1℃，其热力学温度变化了273KE：两个分子的间距从极近逐渐增大到10ro的过程中，它们的分子势能先减小后增大。
4、下列事例中，利用热传递改变物体内能的是（）[单选题]A．流星坠入大气层与空气摩擦生热B．用锯条锯木头，锯条发热C．人站在阳光下暴晒，感到很热(正确答案)D．古时候，人们利用钻木取火5、35．已知甲液体的密度ρ甲＝5g/cm3，乙液体的密度ρ乙＝2g/cm3，现在取一定量的甲乙液体混合，混合液体的密度为3g/cm3，液体混合前后总体积保持不变，则所取甲乙体积比V甲：V乙＝（）[单选题] *A．5：2B．2：5C．1：2(正确答案)D．2：16、32．下列涉及的物态变化现象解释正确的是（）[单选题] *A．清晨河面上出现的薄雾是汽化形成的B．冰冻的衣服变干是熔化现象C．烧水时，壶嘴附近出现的“白气”是液化形成的(正确答案)D．浓雾逐渐散去是升华现象7、当绝缘棒接触验电器的金属球时箔片张开，说明绝缘棒带正电[判断题] *对错(正确答案)答案解析：金属箔片张开是由于箔片带同种电荷，无法确定具体带正电还是负电8、3．击剑比赛、体操比赛中运动员可视为质点．[判断题] *对错(正确答案)9、验电器是实验室里常常用验电器来检验物体是否带电。
用带正电的玻璃棒接触验电器的金属球，可以发现验电器原来闭合的两片金属箔张开一定的角度，如图61所示。
三阶光学非线性效应
慢过程的产生与泵浦光 在薄膜体内激发出的 非平衡电子分布有关。
2号样品慢过程信号最大，从其吸收谱中可以发现，慢过程 产生的三阶非线性效应与薄膜的绝对吸收大小无关，而与 薄膜表面等离子激元共振吸收峰位与泵浦光波长间相对位 置有关。
在金属纳米薄膜超外差光克尔效应中表现出的这一慢弛豫现 象是金属纳米粒子对处于其中的电子的限域效应 的结果， 为金属纳米粒子薄膜所特有。
测量方式
金属纳米粒子-半导体薄膜的
6.2.1Ag-BaO薄膜的光克尔效应 1.超快光克尔效应
Ag-BaO薄膜时间分辨光克尔效应
Ag-BaO复合薄膜实验样 品厚度30nm，薄膜中 Ag纳米粒子平均粒径 10nm
Ag-BaO薄膜与Ag 薄膜光克尔信号 比较
Ag-BaO纳米粒子 复合薄膜的非线 性效应要大许多
来源
影响延迟时间零点附近的光克尔效应的因素： 1）光场感生双折射现象导致的探测光的偏振方向的改变 2）相干效应的影响
光克尔效应中相干效应的影响：
在泵浦光和探测光的自相关时域内，两束光在样品处发生相 干，并使作用区物质的光学性质变成空间调制的，即形成 干涉光栅；泵浦光在干涉光栅的作用下发生自衍射，而在 与探测光偏振方向相垂直的方向上产生分量。
光学双稳态
双光子效应
双光子吸收
四波混频
自聚焦
n n0 n2I
n2
3
2n02 0c
3
光的自聚焦
光学双稳态
受激光散射效应 受激拉曼散射
光克尔效应
克尔效应： 1875年克尔发现，线偏振光通过外电场作用下的玻
璃时会变成椭圆偏振光，旋转捡偏器，输出光并 不消失。 原来各向同性变成各向异性，外加电场感应引起双 折射现象，折射率变化与外加电场的平方成正比。
非线性光学(3)
能流关系
非线性光学 Nonlinear Optics 第三章 胡巍 目录 倍频过程
三波耦合方程
同样变化: n1 c ∗ ∂ (2) ∗ ∗ −i∆kz E E1 = iχef f E3 E2 E1 e ω1 1 ∂z n2 c ∗ ∂ (2) ∗ ∗ −i∆kz E2 = iχef f E3 E1 E2 e E ω2 2 ∂z 得到 n1 ∂ n2 ∂ |E1 |2 − |E2 |2 = 0 ω1 ∂z ω2 ∂z n1 n2 |E1 |2 − |E2 |2 = Const ω1 ω2 Sω 1 S ω 2 − = Const ω1 ω2 Sω 1 Sω 3 + = Const, ω1 ω3 Sω 2 S ω 3 + = Const ω2 ω3
于是: ∂ E3 = ∂z ≡ 注意: . (2) χef f = e ˆ3 · χ(2) (ω1 , ω2 ) : e ˆ1 e ˆ2 = χ(2) (ω1 , ω2 ). .ˆ e3 e ˆ1 e ˆ2 =
µ 2 iω3 e ˆ3 · χ(2) (ω1 , ω2 ) : e ˆ1 e ˆ2 E1 E2 ei∆kz k3 c2 iω3 (2) χ (ω1 , ω2 )E1 E2 ei∆kz n3 c ef f
ManleyRowe关系–能流
守恒 倍频的耦合方程和相 位匹配
相位匹配
相位匹配的概念
非线性光学 Nonlinear Optics 第三章 胡巍 目录 倍频过程
三波耦合方程
小信号情况, 当Eω 为常数时,可以直接积分得到 |E (2ω, z )|2 = sin(∆kz/2) ω 2 (2) 2 |χef f | |E (ω, 0)|4 z 2 (∆kz/2) c2 n2 2
三阶非线性光学的原理
三阶非线性光学的原理
三阶非线性光学是指在产生非线性光学效应时，光的强度与作用物质的电场之间存在三次方关系。
其原理可以通过光与物质相互作用的过程来解释。
在三阶非线性光学中，光与物质的相互作用可以通过一个非线性极化率描述。
非线性极化率是一个二阶张量，其中包含了三次方和一次方电场的项，分别对应非线性和线性极化。
当光通过物质时，光的电场将与物质中的极化电荷相互作用，产生非线性光学效应。
常见的三阶非线性光学效应包括如下几个方面：
1. 非线性折射：光在介质中传播时，光的折射率受到电场强度的影响，引起光的传播方向发生弯曲。
这种效应被称为自聚焦或者自远离效应。
2. 红外吸收、非线性光学吸收和饱和吸收：在强光照射下，物质分子的产生振动、自旋翻转等非线性现象，这些非线性效应会引起光的吸收率发生变化。
3. 光学非线性效应的协同作用：在强光照射下，光的相位和频率会发生变化，从而引起频率变换（如倍频效应、差频效应等）和相位变换（如相位调制、相位重构等）。
总之，三阶非线性光学的原理是通过光与物质中的非线性极化电荷相互作用，使
得光的强度与电场之间存在三次方关系，产生非线性光学效应。
这些效应对于激光技术、光通信、光存储等领域具有重要的应用价值。
非线性光学课件-第三章
sech
x
1 cosh x
ex
2 ex
带h称为双曲函数
双曲正切，双曲正割
A1 ( z )
A1
(0)
s
ec
h
z Ls
A2 (z)
A1
(0)
tanh
z Ls
其中
Ls
cn deff A1(0)
Ls 称为相位匹配下二次谐 波产生的有效倍频长度
当z=Ls 时， tanh(1)= 0.762 sech(1)= 0.648
第三章 光学倍频、混频与参量转换
典型的非线性现象
1、光学倍频
二阶非线性 光学现象
介质不具有对称中 心的各向异性介质
2、光学和频、差频（三波混频）
3、光学参量振荡和放大 …
1、三次谐波
三阶非线性 光学现象
对介质对称无要求
2、四波混频 3、双光子吸收 4、光学自聚焦 5、受激散射 …
这些效应是产生光学变频的较成熟的手段之一，它为人们提供了一 种研究物态结构、分子跃迁驰豫和凝聚态物理构成的新的有效手段。
2
1
1，2为基波和谐波真空中的波长
n2 (2 ) n1(1)
只有满足上述条件，倍频最佳，但由于通 常n2(2)≠n1(1),所以只有采取特殊方法才 能做到。
3.1.2 光学二次谐波的基本理论
对于沿z方向传播的三波混频的耦合波方程
A3 z
i3D 2cn(3 )
(2) (3;1,2 ) :
A A ei(k3 k1k2 ) z
（注意是谐波之间同相位，不是谐波和基波同相位）
L
晶体
dz
z
O
在位置z处，在dz薄层介质内的振幅
三阶非线性光学
频率 (ω4 ) 之间存在色散关系，这两个方程不能被同 时满足。因此非线性光学四波混频只有在两个方 程同时满足的特别的输入装置时才有可能发生。 本节将讨论一个非常有趣且有用的相位匹配条件 得到满足的非线性光学四波混频问题。特别地， 我们讨论简并（或准简并）四波混频过程，该过 程有许多重要的应用，包括相位共轭和频谱反转。
线强度与斯托克斯强度相比较弱。分子振动的寿 命可由拉曼谱线宽度推出。 像克尔效应一样，拉曼散射在大多数介质中相 对较弱。在光纤中，由于激光束光强高和作用距 离长（可达10km）拉曼散射引起的非线性效应相 当大。当进入光纤的光功率超过各自的阈值时， 受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS） 可以同时发生。在受激散射的条件下，光能量可 以更有效地从输入泵浦波转换为散射斯托克斯波。 散射波对泵浦波的频移，在受激布里渊散射
者折射率）的修正。它们对前面讨论的光学克尔
( ) 效应起作用。这两个非线性项χ B3有效地耦合了 EL
和 EB ，引起了这两个光波的能量交换。这两个非 线性极化率是产生受激布里渊过程的原因，称为 受激布里渊极化率。
8.8 四波混频和相位共轭
到目前为止，我们已经讨论了一些特殊的非线 性光学现象，包括Kerr效应、SRS和SBS。一般情 况下，三阶非线性过程需要四个光波的参与。这 样的一般三阶过程可以被看成利用三种光波产生 第四种光波。设三种输入光波的频率和波矢分别
8.9 参变振荡的频率调谐
在本章的前面我们曾证明信号波 (ω1 )和空闲 波(ω2 )，可以由参量泵浦光波(ω3 )产生振荡，它们 之间满足条件 k3 = k1 + k 2。利用 ki = niωi c 我们可以 写出
ω3n3 = ω1n1 + ω2 n2 （8.9-1）
三阶非线性光学材料的研究与应用
三阶非线性光学材料的研究与应用近年来，随着社会的不断发展和科学技术的不断进步，光学材料作为一种具有高度发展前景的科技材料，已经引起了国内外众多研究者的关注。
其中三阶非线性光学材料，以其在光通信、光存储、激光以及微纳光控制等领域的广泛应用，成为了目前广泛研究的热点领域。
本文将对三阶非线性光学材料的研究与应用进行简要介绍。
一、三阶非线性光学材料的研究现状三阶非线性光学材料，是指在电磁波作用下，光子与材料产生的非线性响应，相较于线性光学材料而言，其折射率随光强度而变化。
这种非线性响应大大增强了光学器件的功能，同时又能提供高输出功率和高光束质量等优越性能。
在此基础上，三阶非线性光学材料被广泛应用于激光加工、生物诊疗、光通信、光存储、光传感等领域。
目前，国内外研究者们主要采用有机材料、无机材料和杂化有机-无机材料等来制备三阶非线性光学材料。
有机材料通常采用化合物的方法来构建，材料具有分子级别的一些特征，如分子对称性、电子云分布等，这些都影响着材料的三阶非线性光学性质。
无机材料主要是利用晶格不对称性，如PH近似、DFPM等实现非线性光学响应，这些材料的缺陷主要是结构刚性，容易产生自发极化和溶剂效应。
杂化有机-无机材料则融合了有机和无机材料的优点，在结构、性质和应用方面都有一定的好处。
二、三阶非线性光学材料的应用前景1、光通信方面的应用随着互联网技术的发展，人们对于光通信系统的要求越来越高，而三阶非线性光学材料的高灵敏度和窄带宽特性，则可以为光通信领域提供更多的选择。
目前，三阶非线性光学材料已经被广泛应用于波长转换器、光放大器、光交换等方面，并取得了很好的效果。
2、光存储领域的应用随着日益增长的数据量和信息存储需求，光存储技术逐渐发展成为一种重要的信息存储技术。
而三阶非线性光学材料，便可以作为一种进行光学储存的重要材料，以其高速、高密度和不易受干扰等优点感受到了广泛的关注。
3、其他应用场景除去光通信和光存储方面，三阶非线性光学材料在生物医学、化学合成、光学制备、光学测量等领域均有着非常广泛的应用。
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第三次课
极化的宏观表述总结
极化的微观表述（简略）
非线性光学现象（二阶非线性光学效
应）
极化的宏观表述总结
极化的频域表达
时域 频域
极化率的一般表述极化率张量极化率张量元的含义极化率张量元的对称性
极化率张量的补充
非线性介质的耦合波方程
极化的宏观表述总结—极化的频域表达
极化的宏观表述总结—极化张量
极化的宏观表述总结—极化张量元的含义
极化率张量元的对称性置换对称性
全置换对称性
kleinman对称性
时间反演对称性
结构对称性
不同符号约定体系下的变换简并因子
极化率张量元的补充
非线性介质中的耦合波非线性介质的耦合波方程
三波混频实例
缓变振幅近似
振幅随时间变化的情况
极化的微观表示
微观表示的含义
必要性
量子力学基础密度矩阵
极化的密度矩阵计算方法
线性和非线性极化率的微观表示
极化的微观表示----含义必要性
极化的微观表示----量子力学基础
极化的微观表示----极化率的密度矩阵计算方法
针对的系统模型
极化的微观表示----
极化率的密度矩阵计算方法
极化的微观表示----极化率的密度矩阵计算方法
极化的微观表示----极化率的密度矩阵计算方法
回顾经典模型
光场中的简谐振子/非谐振子的解
极化的微观表示----极化率的密度矩阵计算方法
极化的微观表示----极化率的密度矩阵计算方法
极化的微观表示—线性极化率和非线性极化率表示
极化的微观表示—线性极化率和非线性极化率表示
极化的微观表示—线性极化率和非线性极化率表示
极化的微观表示—线性极化率和非线性极化率表示
极化的微观表示—线性极化率和非线性极化率表示
极化的微观表示—物理含义
非线性介质中的耦合波方程
耦合波方程
三波相互作用的耦合波方程
考虑三个频率的光波沿Z 轴方向传播，E 1、E 2和E 3垂直射入介质，并有2
13ωωω+=2
1213)2(03)2(13132)2(02)2(23231)2(01)2(:),;(2)(:),;(2)(:),;(2)(E E P E E P E E P ωωωχεωωωωχ
εωωωωχ
εω-=--=--=z i z i z i e z E z E cn i dz z E d e z E z E cn i dz z E d e z E z E cn i dz z E d κκκωωωχωωωωχωωωωχω∆-∆∆-=--=--=)()(:),;()()()(:),;()()()(:),;()(21213)2(333*13132)2(222*23231)2(111 123k k k --=∆κ忽略二阶以上的高阶非线性效应，则（简并因子D ＝2）若忽略介质的吸收α＝0，，得到相位失配因子
若∆κ＝0，相当于三光波动量守恒，则三波相互作用是相位匹配的。
相位匹配条件
引入光电场振幅方向的单位矢量e ，将振幅写成
3
,2,1,)()(==i e z E z E i i z
i z
i z
i e
z E z E cn i dz z dE e
z E z E cn i
dz z dE e
z E z E cn i dz z dE κκκωωωχωωωωχωωωωχω∆-∆∆-=--=--=)()(:),;()
()()(:),;()()()(:),;()(21213)2(3
3
3*13132)2(2
2
2*23231)2(
1
11则振幅可表示为标量形式：
此即三个光电场以二阶非线性相互作用的耦合波方程。
21213)2(3213)2(13132)2(2132)2(23231)2(1231)2(:),;(),;(:),;(),;(:),;(),;(e e e e e e e e e ωωωχωωωχωωωχωωωχωωωχωωωχ-⋅=---⋅=----⋅=--各标量形式的极化率为
根据非线性极化率的对称性，如果ω1，ω2，和ω3及其频率组合都远离介质的跃迁频率时，Kleinman 对称性正确，则上述三个极化率是相等的，对于确定的介质和偏振配置它们就是一个常数，简写为：χ（2）。
门莱-罗(M ANLEY -R OWE )关系
将耦合波方程各式两边分别乘以相应的复共轭，则有
kz
i kz
i kz
i e
E E E c
i dz dE E n e
E E E c
i dz dE E n e
E E E c i dz dE E n ∆-∆∆
===*321)
2(33*
333*
2*1)2(22*
223*2*1)2(11
*
11χωχωχω上式右边前两个相等与第三个有复共轭关系，有
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛332211ωωωI dz d I dz d I dz d 3
,2,1I 2021
==i E cn i i ε其中000221133223311=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+ωωωωωωI I dz d I I dz d I I dz d 此即门莱-罗关系也可改写成它表明了相互作用的三个光电场光子数的变化关系。
如果ω1和ω2的两个光子同时湮没，可以产生频率为ω3的一个光子，这就是和频和倍频的情况。
若ω3的光子湮没，同时产生两个频率为ω1和ω2的光子，这就是参量产生的情况。
门莱-罗关系实际上就是在无损耗介质中的非线性相互作用的能量守恒关系，由门莱-罗关系可得到
3
21dI dI dI -=+I
z I z I z I =++)()()(321I 为一常数，是初始时（在z ＝0）光电场的总光强。
光学二次谐波的产生----双折射位相匹配。