非线性光学中的光频变换
绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计
人们对光的研究有着长久的历史，到了现代随着技术的发展，已经不再满足与先前的激光技术，对其提出了更高的要求。
其中较为常用和有效的方法是拓宽激光输出波长范围，这也是使用最多的方法。
是利用晶体的非线性频率转化技术制作出光学超晶格。
非线性光学，在频率转换以及获得新辐射光源领域扮演重要的角色。
在波长转化进程中，不同频率的两束光入射到非线性介质材料中,会以倍频(SHG)，混频以及级联的形式产生第三束光。
另外, 在超短脉冲光场中，宽带频率转换十分重要，但宽频带光场之间要同时满足相位匹配条件也是十分困难的。
绝热演化，是一系列经典和量子系统中非常重要的动力学过程，它可以为系统提供一个强有力的方式使其达到想要的量子态。
最近绝热概念被引进了频率变换领域，它不仅可以解决宽频带光场之间的转化问题，还可以同时获得近似完全的转化效率，并且成功的用于超短脉冲转化，获得了近100%超宽带光谱转化效率。
利用无衰减泵浦近似下的非线性进程与多能级相干激发量子态系统的类比,获得了新的频率转化思想，即不产生中间光的级联波长转化。
本文主要采用理论分析的方法设计验证绝热超晶格的结构。
首先对光学晶格场分布的数值模拟方法进行了介绍；后面对于绝热级联非线性频率转化介绍了级联非线性频率转化工程中的波动方程以及绝热频率的变换；在最后又对光学超晶格的结构又进行了详细的分析介绍，主要介绍准周期、非周期以及无周期的光学晶格。
文章主要采用理论分析、验证为主的功能结构设计的方法。
关键词：光学超晶格，绝热级联频率，非线性光学ABSTRACTThe development of modern optical technology, laser put forward newer and higher requirements. To broaden the range of laser output wavelength, the most commonly used and the most effective method of is using the technology of frequency conversion in a nonlinear crystal, nonlinear optics and in frequency conversion and obtain new radiation light source in the field play an important role. In the wavelength conversion in the process, different frequencies of the two beams of light incident to the nonlinear dielectric materials, with second harmonic generation (SHG) and mixing, as well as the form of cascade produces the third beam. In addition, the ultrashort pulse light field and broadband frequency conversion is very important, but broadband light field to satisfy the phase matching condition is very difficult. Thermal evolution, it is very important in a series of classical and quantum systems dynamics process, it can be for the system to provide a powerful way to achieve the desired quantum state. Recently adiabatic concept was introduced to the field of frequency transform. It can not only solve the problem of broad band optical field between the transformation, can also obtain approximate complete conversion efficiency, and successful for ultrashort pulse conversion, nearly 100% ultra wideband spectrum conversion efficiency. The attenuation pump approximation of nonlinear processes and multi level coherent excitation of analogy to the quantum state of the system were obtained. The new frequency conversion thought that does not produce the intermediate light cascaded wavelength conversion.In this paper, using the theoretical analysis of the design method is verified for adiabatic superlattice structure. First of optical lattice field distribution numerical simulation methods are introduced; behind the adiabatic cascade nonlinear frequency conversion the cascade nonlinear frequency conversion project in the wave equation and adiabatic frequency transformation; finally the optical super lattice structure and detailed analysis is introduced in. It mainly introduces the quasi periodic, non periodic and non periodic optical lattice. This article mainly adopts theoretical analysis and verification based functional structure design method.Key words: Optical Superlattice; Adiabatic cascade frequency;nonlinear optics目录目录........................................................................................................................ - 4 - 1.绪论........................................................................................................................ - 5 - 第2章计算级联绝热光学超晶格场分布的数值模拟方法.................................. - 6 -2.1用于级联绝热光学超晶格的理论模拟方法............................................... - 6 -2.2基于中心差分原理的一种数值模拟方法................................................... - 7 -2.3几种超晶格的倍频场分布的数值模拟....................................................... - 9 -3.绝热级联频率转换.............................................................................................. - 11 -3.1 级联过程耦合波方程............................................................................... - 12 -3.2反直观耦合次序与直观耦合次序............................................................ - 13 -4.光学超晶格结构设计.......................................................................................... - 14 -4.1 多重准位相匹配技术............................................................................... - 15 -4.1.1准周期结构光学超晶格................................................................. - 15 -4.1.2 非周期结构光学超晶格................................................................ - 16 -4.1.3 无周期结构的光学超晶格............................................................ - 17 -4.2 无周期级联光学超晶格实现光学STIRAP的设计................................. - 17 -5.结论...................................................................................................................... - 21 - 参考文献.................................................................................................................. - 22 - 致谢.......................................................................................................................... - 24 -1.绪论人类对光的猜想与探索是相当久远的，从激光器诞生至今我们对于其的探索更近一步。
非线性光学中的激光频率转换
非线性光学中的激光频率转换激光技术是一项重要的技术领域。
激光可以用于医学、通讯、计算机、材料加工等多个领域，这得益于激光具有高亮度、高单色性和高方向性等良好的特性。
在激光应用中，经常需要对激光频率进行转换。
非线性光学中的激光频率转换技术就是一种常用的激光频率转换技术。
1. 非线性光学在介绍非线性光学中的激光频率转换技术之前，我们需要先了解什么是非线性光学。
通常情况下，光学现象是线性的，即输入光与输出光之间存在简单的比例关系。
然而，当光强度非常大时，就会出现非线性光学效应。
非线性光学效应是指在高光强下，光与介质之间的相互作用过程出现非线性特性的现象。
其中最常见的非线性光学效应包括二次谐波产生、差频产生和和频产生等。
这些效应为激光频率转换提供了基础。
2. 激光频率转换激光频率转换是指将激光光束的频率从一个波长转换到另一个波长。
激光频率转换技术非常重要，因为它可以将激光用于不同领域的应用。
激光频率转换可以分为线性和非线性两种技术。
在线性技术中，光通过线性介质时，光的频率不会发生变化。
而在非线性光学中，由于光强度很大，介质的光学特性将会随之发生变化，进而导致光频率的变化。
3. 激光和频产生激光和频产生是一种基于非线性光学效应的激光频率转换技术。
激光和频产生通常是将两个输入激光光束射入到同一介质中，由于介质的非线性特性，两束光的频率叠加，最终产生一个新的光激光光束。
激光和频产生的实现需要满足一定的条件：①两束激光需要满足能量守恒定律和动量守恒定律；②两束激光的光束直径、极化方向和相对时延等方面需要满足一些具体的条件。
激光和频产生技术广泛应用于医学、光通信、材料研究等多个领域。
例如，激光和频产生在生命科学研究中被用于荧光探针的制备，可以用于检测生物分子；在光通信中，通过激光和频产生，可以将激光频率转换到光通信所需要的波段。
4. 激光差频产生激光差频产生是指将两个输入激光光束的频率差转换为一个新的激光光束。
激光差频产生和激光和频产生相似，但它的实现条件较为严格。
非线性光学-绪论-第一章
7.2
激光倍频技术
7.2.1 倍频的波耦合方程及其解
基频光波电场Ew和倍频光波电场E2w的波耦合方程为
dEw iw ikz * deff Ew E 2 w e dz nwc dE iw d E Ee dz n c
2w eff * w ikz w 2w
1.非耗尽近似
当倍频光为小信号近似，则倍频光强为
1 n
K是由内禀变换对称性所决定的数值因子
表示n个频率中有 个相同，Wm表示为n个频率 的代数和，频率若为负值，则其对应电场取共轭形式
1 n! k n1 2 !
对于二阶非线性光学效应，有三个波相互作用，取
p P
(2)
NL
设频率关系为
(2)
PNL1( z , w1) 0 ( w1; w2, w3) : E ( w2) e E ( w3) e (2) ik z ik z * * PNL 2( z, w2) 0 ( w2; w1, w3) : E 1 ( w1) e E 3 ( w3) e
e r 1(t ) E1 L(w1) e iw1t E 2 L( w1) e iw2t c.c. 2m
L(w1) E1 L(w2) E 2
2 2 2
*
2
L( w1 w2) L( w1) L( w2) E 1 E 2 e
L( w1 w2) L( w1) L ( w2) E 1 E 2 e
n0 w ne k w 3 c (n 0 )
2w
2
2w
sin 2
2 m
* 2 ik 2 z * 3
1 3
w3 w1 w2极化分量为
光的非线性效应解析与应用
光的非线性效应解析与应用光的非线性效应是指当光与物质相互作用时，光的性质会发生改变，产生一系列与输入光强度不成比例的响应现象。
这些非线性效应在光学领域具有重要的理论研究和实际应用价值。
本文将对光的非线性效应进行解析，并介绍一些相关的应用。
一、非线性光学效应的分类非线性光学效应可根据物质的响应特性进行分类。
常见的非线性光学效应包括自发参量下转换（SPDC）、倍频效应、自聚焦效应以及模式锁等。
1. 自发参量下转换（SPDC）自发参量下转换是一种光子的非线性相互作用过程，通过该过程，一个高能量的光子分裂成两个具有较低能量的光子，称为信号光和辐射光。
这一效应在量子通信中具有重要的应用，可用于光量子密钥分发和量子纠缠态的生成。
2. 倍频效应倍频效应是指将输入光的频率提高到其倍数的过程。
其中最常见的倍频效应是二次谐波发生，将红光频率升高到其二倍的绿光。
倍频效应在激光技术中应用广泛，如用于激光打标、激光医疗等领域。
3. 自聚焦效应自聚焦效应指的是光在传播过程中由于非线性效应而导致的光束变窄和集中的现象。
这一效应可应用于超分辨成像、光束整形和光纤通信等领域。
4. 模式锁模式锁是指将连续激光转化为脉冲激光的过程。
通过非线性效应，连续激光的强度和相位会被调整，使得光变为具有高峰值功率和快速时域特征的脉冲激光。
模式锁在激光器技术中有着广泛的应用，如超快激光、光频梳等。
二、非线性光学效应的应用非线性光学效应在许多领域具有广泛的应用价值。
1. 光纤通信光纤通信是一种高速、大容量的通信技术，而非线性光学效应在光纤通信中发挥着重要的作用。
例如，利用自聚焦效应可以实现超高速光纤通信系统，提高传输距离和带宽。
2. 激光医疗非线性光学效应可应用于激光医疗，如通过倍频效应获得更短波长的激光用于皮肤去色、痤疮治疗等。
此外，光动力疗法和光学相干断层扫描（OCT）等技术也是基于非线性光学效应的。
3. 光子学器件非线性光学效应在光子学器件中起着关键作用，如光开关、光放大器和光学逻辑门等。
理学非线性光学b光学混频与光学参量振动
k3 = k1 + k2 光学和频可以用于频率的上转换。
2/48
z
w1
c (2)
w3 = w1 + w2
w2 L
和频过程：假设晶体对三个频率的光均无吸收，而且
频率为ω2的泵浦光的强度足够大，以至于其光强不因
ω3的产生和变化而改变，即 A2 (z ) » A2 (0)，耦合波方
其周期为
ò L = 2
1
dy
u1 (0) 0 (1 - y 2)(1 - g2y 2)
12/48
• 一般解的分析讨论
• 当相互作用长度增加时，能量在频率为 w3 的波与频率为 w2 和w1 的光波之间来回转移，其周期为 L 。该过程先把能量泵浦到和 频场，但在一个泵浦场的光子被耗尽后，能量流倒转。
一、光学和频与频率上转换
Bass等人在1962年首先在硫酸三甘氨酸晶体内观测 到了光学和频的产生。采用两台红宝石激光器作为 输入光束，波长相差 1 nm 。采用摄谱议分析时， 发现输出在 347 nm 附近出现三条谱线，边上的两条 谱线来自于二次谐波，而中间的一条谱线则是由于 两激光束的和频产生的。
A3 (z ) = c1 cos( g z ) + c2 sin ( g z )
利用 z = 0
时的边界条件 c1 =
0,
c2
=
i
骣 ç琪 桫g
g
÷÷A1
(0) 4/48
方程的解为
A1 (z ) = A1 (0)cos ( g z )
能量守恒关系
A3 (z ) = i 骣 ç琪 桫g g ÷÷A1 (0)sin ( g z )
差频过程中频率和波矢满足以下关系
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
光物理学中的二次非线性光学
光物理学中的二次非线性光学光物理学是物理学中一个非常重要的分支，它研究光的物理性质和光的相互作用。
其中，非线性光学是光物理学的一个重要分支，它是指在物质和电磁场相互作用过程中，出现非线性效应的现象。
而二次非线性光学是其中的一个重要领域，它涉及着各种电磁波和物质之间的相互作用，也是现代科学研究中不可或缺的一部分。
二次非线性光学的概念二次非线性光学是指在物质中，当光线经过时，发生了二次谐波的产生（即原始光的频率的两倍），或者说是光线的频率加倍。
而这种现象是由于某些物质非线性极化效果的产生而引起的。
具体来说，当光在物质中传播时，会引起物质内部电子的跃迁和振动，从而使电磁波和物质产生相互作用。
这种相互作用是非线性的，即在外加电场的作用下，物质的响应不是简单的线性关系，而是有一些非线性递增的效应。
而二次非线性光学就是这种非线性效应的一个重要表现。
二次非线性光学的应用由于其独特的谐波效应，二次非线性光学在很多领域都有着广泛的应用。
例如，二次非线性光学可以用于光学信号处理，比如制作光学晶体滤波器、光学调制器等；还可以用于光学信息存储，比如制作超高密度数据存储器；还可以用于生物学、医学等领域，比如制作超快速的生物分子成像系统等。
二次非线性光学的发展历程二次非线性光学的研究可以追溯到上世纪初，当时科学家们发现，某些物质在受到激光束照射后，会产生二次谐波的效应。
随着科学技术的发展，人们对这种非线性效应进行了深入研究，并提出了许多重要的理论和实验成果。
例如，上世纪60年代，科学家们提出了KDP晶体的制备方法，并利用这种晶体制造了高功率的二次谐波激光器。
随后，又出现了多种新的物质，如磷酸钛酸铁、氧化镁等，它们都表现出了很强的二次非线性光学效应。
二次非线性光学的研究还在不断推进。
现在，科学家们正在探索新的材料和方法，以应用于更广泛领域的研究和应用中。
结语二次非线性光学是现代光物理学中非常重要的一个领域，它展示出了光和物质相互作用的多种非线性效应。
非线性光学 (Nonlinear Optics)
三、二阶非线性
晶体对称性效应 • 二阶非线性极化率为具有27个分量的三阶张量，其中部分分量相同，比如
和
必然相同，即介质的响应不依赖于场的数学排列顺序。
• 因此，二阶非线性极化率只剩有18个独立分量。 • 此时，偏振场和电场的关系可由非线性光学系数张量dij表示如下，
。 • 在许多晶体中，非线性光学系数张量可进一步简化，因为晶体的对称性要求许多分
其中省略号包含高频、高阶交叉项。
线性响应 • 的系数在方程两边相等，从而得到 。 。 。
• 此时在频率ω处的偏振为 • 由上式和X1与 非线性响应 • 的系数在方程两边相等，从而得到 。 的表达式可以得到
二、光学非线性的物理起源
Non-resonant nonlinearities 非共振非线性 • 进一步得到
• 材料的吸收系数如果能用上式来表示，就可被称为饱和吸收体（saturable absorber）。
• 在光强相对较弱的情况下，有 • 由于α 正比于 的虚部，且有 ）。 ，即吸收系数随光强（ ）线性变化。 ，即由于
饱和吸收引起的共振非线性来源于三阶非线性效应（
三、二阶非线性
Nonlinear Frequency Mixing 非线性混频 • 介质被两个频率分别为ω1和ω2，幅度分别为ɛ1和ɛ2的正弦波所激发，非线性偏振为
可理解为沿y和z方向施加的电场在x方向可产生非线性偏振。
• 可以类似写出三阶非线性偏振分量（81个）为：
。
一、非线性极化率张量
Problem：
Solution： 激光沿z方向传播时，其偏振方向沿x或y，此时有
，因此
当i=x或者非线性偏振为z方向。
二、光学非线性的物理起源
• 将一个电子束缚到一个原子中的电场幅度在1010-1011 V m-1左右，在光电场幅 度与该数值接近时非线性效应开始凸显。
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非线性光学中的光频变换
光是一种电磁波，其波长在可见光波段范围内，通过介质传输时，可能会发生光的各种非线性效应，其中最常见的是光频变换。
光频变换是指光束在介质内发生频率改变的现象，这种现象被广
泛应用于光通信、激光器、精密测量等领域。
本文将介绍非线性
光学中的光频变换。
一、非线性效应的基础
光的非线性效应是介质吸收光子的能量而产生的。
在介质内，
光子可能与介质中的电子或原子核相互作用。
这种相互作用受到
光的强度、频率和介质的特性等因素的影响。
通常情况下，介质
对光的反应是线性的，即强度越大，其响应就越强。
但在极端条
件下，如强度极高、频率极低等情况下，介质对光的响应可能不
再线性，而是非线性的。
这就是非线性光学基本理论。
二、光频变换的基本过程
光频变换，即将光束的频率从一种投射到光束上的目标介质中
产生的新频率的光的过程。
这个过程与光在介质中传播的时间和
介质的非线性系数有关。
通常情况下，光束在经过介质后会发生
如下三种光频变换：和频、差频和倍频。
光束的总功率是光频变
换各种组合的总和。
1.和频
和频就是将两束频率不同的光合并成一束频率较高的光的过程。
当两束光束的频率相加时，其和光的频率是它们频率之和。
2.差频
差频就是将两束频率不同的光作差产生一束频率较低或较高的
光的过程。
当两束光的频率相减时，其差光的频率是它们频率之差。
3.倍频
倍频就是将一束频率相同的光转化为另一束频率相同但功率较
小的光的过程。
当一束光束通过非线性介质时，它的频率加倍或
减半，同时功率也会减小。
三、非线性光学的应用
非线性光学广泛应用于电信、光通信、激光制导、激光器和精
密测量等领域。
例如，非线性光学器件可用于光通信中的光放大
器和光开关、二次谐波生成测量近红外分子光谱的激光器。
此外，非线性光学还有良好的生物医学应用潜力。
双光子激发
显微镜可以用于三维成像活细胞和深层组织成像，而非线性光学
拉曼光谱学可用于检测和识别各种生物分子。
四、总结与展望
本文介绍了非线性光学中的光频变换。
这是一种光在介质中传
输时可能发生的非线性效应。
光频变换的过程分为和频、差频和
倍频三种形式。
非线性光学已经有很多应用，包括光通信、激光
制导、激光器、精密测量和生物医学等领域。
未来随着光学技术
的不断发展，在各个领域的应用中，将展现出更大的潜力和价值。