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。
光学材料中的非线性光学特性分析
光学材料中的非线性光学特性分析光学材料是指能够对光进行控制、调节以及产生新的光学效应的材料。
非线性光学特性是光学材料中一种重要的现象，其研究在光通信、激光技术、光信息处理等领域具有广泛的应用价值。
本文将对光学材料中的非线性光学特性进行分析，探讨其机理以及应用前景。
1. 非线性光学特性简介非线性光学特性是指当光与光学材料相互作用时，产生的光学效应与入射光强度不呈线性关系的现象。
与线性光学特性不同，非线性光学特性由于其强度依赖关系的非线性性质，使得光学材料在应用中具有更加丰富的功能和效果。
常见的非线性光学效应包括二次谐波发生、和频与差频发生、自聚焦、自相位调制等。
2. 非线性光学效应的机理非线性光学效应的产生是由于光照射到光学材料中的原子或分子后，其能级结构发生变化并引发非线性相互作用。
比如，二次谐波发生是由于材料的非线性极化率产生了非线性响应，将入射的光分解为频率为二倍的新光。
自聚焦效应是由于材料的光折射率与光强度的关系非线性，使得光束在传播过程中自动聚焦。
3. 光学材料中的非线性光学特性研究方法为了研究和应用光学材料中的非线性光学特性，科学家们发展了多种实验方法。
其中，著名的方法包括Z-scan技术、功率扭曲、相位匹配等。
Z-scan技术可测量材料的非线性吸收和折射率，并通过测量传播动力学过程来分析非线性效应。
功率扭曲实验通过改变光束强度来研究材料的非线性响应。
相位匹配为材料中的非线性效应提供了最佳的相位条件，以增强非线性光学效应。
4. 非线性光学特性在光通信中的应用非线性光学特性在光通信中具有重要的应用价值。
比如，光纤通信中信号调制和光时钟的生成都离不开非线性光学效应。
非线性光学特性还可用于光通信中的光放大器、光开关和光限幅器等器件的设计和制造。
利用非线性光学特性，还可以实现光通信中的非线性光调制和光波混频等功能。
5. 非线性光学特性在激光技术中的应用非线性光学特性在激光技术中有着广泛的应用。
物理学中的非线性光学现象
物理学中的非线性光学现象在我们日常所接触的物理世界中，线性光学现象占据了大部分的经验和认知。
然而，当我们深入探究光与物质相互作用的微观层面时，会发现一个充满奇妙和复杂性的领域——非线性光学。
线性光学遵循着一些简单而直观的规律，比如光的折射、反射和吸收等，在这些过程中，输入光的强度与输出光的强度成正比。
但非线性光学现象却打破了这种线性关系，展现出了更为丰富和奇特的特性。
让我们先来了解一下什么是非线性光学现象。
简单来说，当光与物质相互作用时，如果响应与光的电场强度不成正比，就出现了非线性光学效应。
这意味着，当光的强度足够大时，物质对光的响应不再是简单的线性叠加，而是会产生一些新的、独特的光学现象。
其中一个重要的非线性光学现象是二次谐波产生。
想象一下，当一束特定频率的激光照射到某些非线性晶体上时，会产生频率为入射光两倍的新的光波。
这就好像原本的“旋律”在与物质的“互动舞蹈”中，意外地创造出了一个“高音和声”。
这种现象在激光技术、生物医学成像等领域都有着重要的应用。
另一个有趣的非线性光学现象是和频与差频产生。
当两束不同频率的光同时照射到非线性介质上时，会产生它们频率之和或之差的新光波。
这就像是两种不同的“音符”在物质这个“舞台”上碰撞，产生了全新的“音律”。
这种现象在光学频率转换、光谱分析等方面发挥着关键作用。
自聚焦和自散焦现象也是非线性光学中的奇特表现。
当强光通过某些介质时，由于介质的折射率会随光强的变化而改变，可能导致光自己聚焦成更细的光束，或者相反地，变得更加发散。
这就好像光在介质中具有了“自我塑形”的能力。
还有一种常见的非线性光学现象是光限幅。
在一些特殊的材料中，当入射光的强度较低时，材料对光的透过率较高；但当光强超过一定阈值时，透过率会急剧下降，从而限制了强光的通过。
这就像是给光的传播设置了一个“安全阀”，保护了后续的光学系统免受强光的损害。
那么，非线性光学现象是如何产生的呢？这主要与物质的微观结构和电子的运动状态有关。
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。
非线性光学现象的基本描述
非线性光学现象的基本描述导语：光学是一门研究光传播和光与物质相互作用的学科。
我们常常接触到的光学现象多数是线性光学，即光的传播和物质对光的响应遵循线性关系。
然而，当光强足够强大，或与物质相互作用时，我们就会观察到非线性光学现象。
本文将对非线性光学现象的基本描述进行探讨。
1. 非线性光学现象的起因光与物质相互作用时，通常可以用极化来描述物质对光的响应。
在线性光学中，物质的极化与光的电场强度存在线性关系。
然而，当光强足够强大时，光子与物质的相互作用变得显著，极化则不再遵循线性关系，从而引发非线性光学现象。
2. 折射率和非线性光学在介质中，光的传播速度受折射率的影响。
在非线性光学中，高光强下，光与物质的相互作用会引起折射率的变化。
这种折射率变化可导致光的自聚焦、自散焦等非线性光学现象的产生。
自聚焦是指在具有正非线性折射率的介质中，光束在传播过程中由于自身的非线性效应而逐渐凝聚，使光束变得更加集中。
而自散焦则是光束由于介质中的负非线性效应而扩散。
3. 光学非线性介质非线性光学现象广泛存在于各种介质中。
其中，某些晶体（如二硫化碳和锂酸铷）和气体（如氮气和二氧化碳）具有较强的非线性效应。
此外，光纤、液晶等也可作为非线性光学介质。
这些介质在非线性光学应用中具有重要意义。
4. 光学非线性效应的应用非线性光学现象不仅仅是一种有趣的现象，还具有广泛的应用价值。
例如，光学非线性效应可用于光通信、光储存、光计算等领域。
在光通信中，非线性光学现象可实现光脉冲的成型、调制和解调，提高通信速度和带宽。
而在光计算中，非线性光学器件可以进行光学逻辑运算和信息处理，实现光计算的高速性能。
5. 非线性光学研究的挑战尽管非线性光学现象具有丰富和多样的特性，但其研究仍然面临一些挑战。
首先，需要精确控制光强，以实现特定的非线性效应。
其次，对于复杂的非线性系统，需要建立准确的模型和理论。
此外，非线性光学的实验装置和测试方法需要不断改进和创新。
非线性光学的原理和应用
非线性光学的原理和应用随着科学技术的不断进步，人们对于光的研究也越来越深入，光的波动性和粒子性使得光成为了一种非常有趣的研究对象。
而非线性光学则是光学研究中的重要分支之一。
本文将从什么是非线性光学、非线性光学的原理、非线性光学的应用等几方面来探讨该领域。
什么是非线性光学非线性光学简单来说就是当光场或光子流密度在光学介质中的强度很大时，介质的响应就不再遵循线性关系，而是会有类似于浸染效应、倍增效应等等非线性效应的表现。
这种效应的出现既可以是由于光场强度增加产生的光学非线性响应导致的，也可以是介质内部的非线性响应导致的。
在光场或光子流密度足够小的情况下，光场可以视为线性，则光的传输过程就可以视为微扰的线性系统，那么一旦光场强度超过一定阈值，光就不再遵循线性关系，就会产生非线性效应。
非线性光学的原理在非线性光学中，非线性效应主要分为三类：颠簸、三阶、四阶。
其中，三阶非线性效应（非线性折射率）是非常重要的，该效应来源于二阶非线性响应的积分积累效应，使光在介质中传输时光路及传播速度会产生改变。
保守系统中的非线性效应大多源自于材料的非线性折射率。
而行程或非行程中的非线性效应则是由于一些非线性折射率（由介质质量的快速变化引起的非线性折射率）或自制行的非线性材料性质。
生成二倍频和三倍频的原理光非线性效应的一个直接应用，是新型高效频率换能材料的开发，例如用于激光的谐频（2倍频）或三倍频（3倍频），甚至更高次倍频。
生成二倍频和三倍频的原理是将激光辐射进结构关紧的非线性晶体内，基频光与谐频光可以通过非线性光学效应相互耦合，形成新的谐频光。
当光强足够强时，非线性效应可以明显地改变光的相位，而且基频光本身对于部分介质也会表现出较强的非线性响应，因此如果光的强度足够高，基频光和谐频光相互作用的效应就会更加强烈。
通过多次倍频，我们就可以得到更高次的频率，如四倍频、五倍频等等。
非线性光学的应用非线性光学在实际应用方面也广泛存在。
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。
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3.1.2 双光子吸收（TPA） 双光子吸收是指介质在较高的光强下，同时吸收两个光 子后，粒子由基态跃迁到激发的高能态。双光子吸收与光 强的平方项有关，光强越大吸收越强，此时光强I 变化满 足：
这里，α为线性吸收系数，β为双光子吸收系数，z 为光束在样品 中的传播深度。一般条件下，α比较小，在低光强下吸收很弱，介 质高度透明，但在高光强下是增强吸收，从而实现限幅特性。双 光子吸收光限幅研究多采用半导体材料。早在1969 年就有人开始 研究半导体中双光子吸收型光限幅器。这种限幅器结构简单，对 应红外探测器的“窗口”，对于红外探测器的防护具有特别重要 的意义，因而半导体的双光子吸收光限幅研究也比较活跃。
非线性光学效应
余翔翔 201207703017 2012年4月6日
1.前言：
非线性光学研究相干光与物质相互作用时出现的各种新现象 的产生机制、过程规律及应用途径,是在激光出现后迅速发展起 来的光学的一个新分支. 非线性光学的研究在激光技术、光通 信、信息和图像的处理与存储、光计算等方面有着重要的应用, 具有重大的应用价值和深远的科学意义. 本文在介绍非线性光 学效应基本理论的基础上,着重讨论几种典型非线性光学效应及
非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等等
③第三个时期是70年代至今
由以固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至 液晶的非线性效应的研究；由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至 更高阶效应的研究；由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究；就时间范 畴而言，则由纳秒进入皮秒领域 。
（1- 1） 式中，N0 为单位体积中参与吸收的分子的总数；N2 为单位 体积内的激发态分子总数。设单位体积内的基态的分子总数为N1，则 有：
所以由式（1- 1）、（1- 2） 可以得到：
假设反饱和介质的厚度为L，入射光强为Lin，对式（13)积分后就可得到透过吸收体后的光强Lout：
在低光强下，材料的光学特性主要受σ1 支配，介 质的吸收近似为线性的； 而在高光强下，σ2 开始起作用，介质的吸收系数 随入射光强的增加而增大。
2.2.TEM观测 利用TEM明场像分析注入粒子尺寸大小分布和形状。
2.3.Z-scan测量样品在特定波长下的非线性折射率和吸收 率
1997年诺贝尔物理奖得主
Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips
Stanford University Stanford, CA, USA
其在科学研究和工程技术中的应用。
历史回顾
非线性光学的早期工作
①1906年泡克耳斯效应 ②1929年克尔效应
激光问世——首次发现光学二次谐波
①第一个时期是1961～1965年
光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸收、光束自聚焦 以及受激光散射等等
②第二个时期是1965～1969年
杨振宁说：”虽然朱等3人没有做这种奇特的BEC现象，但却为BEC的工作铺了路。“激光 冷却技术的发明直接导致了玻色-爱因斯坦凝聚这一著名理论论断的实验验证, 这成为20世纪 末物理学的重大突破之一。
2005年诺贝尔物理奖得主
霍尔 (J.L. Hall)、汉什 (T.W. Hänsch)和葛劳柏（Roy J. Glauber）
P= （ 0 1E+ 2 EE+3 EEE+ ）
式中χ1 ,χ2 ,χ3 分别称为介质的一阶(线性) 、二阶、三阶(非 线性) 极化率。 1. 2 .光与介质非线性作用的波动方程 对于非磁性绝缘透明光学介质而言, 麦克斯韦方程组为
D H= t H E=- 0 t B=0 D=0
Байду номын сангаас
3.2 非线性折射 非线性折射光限幅基于材料的自聚焦和自散焦光学效应。 这是由于激光引起介质折射率变化而产生的一种光束自作用 效应。介质的非线性折射越大，光限幅效果越好。这种机制 多发生在半导体、过渡金属团簇化合物和纳米粒子材料中。 非线性折射光限幅器具体工作原理如下图所示，这种结构抗 损伤能力强，适合作传感器防护用。相比较而言,自散焦光限 幅器更优越,可以避免自聚焦时可能引起的的激光对限幅材料 的损伤。
电光效应
——材料在电场作用下产生双折射效应
一．Pockels效应（一级电光效应） 1893年由德国物理学家F.C.A.泡克耳斯发现。一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播 方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应。例如把磷酸二氢钾晶 体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构成能产生电场的电容器，晶体的光轴与 电容器极板的法线一致，入射光沿晶体光轴入射。与观察克尔效应一样，用正交偏振片系 统观察。不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过P2。加电场后，晶体感 生双折射，就有光通过P2。泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。大多数压电晶 体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用于光闸、激光器的Q开关和 光波调制等。 二．Keer效应（二级电光效应） 1875年英国物理学家J.克尔发现，玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，称克尔效应 (Kerr effect)。后来发现多种液体和气体都能产生克尔效应。观察克尔效应的实验装置。内 盛某种液体（如硝基苯）的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容器，加电压后产生 横向电场。克尔盒放置在两正交偏振片之间。无电场时液体为各向同性，光不能通过P2。 存在电场时液体具有了单轴晶体的性质，光轴沿电场方向，此时有光通过P2（见偏振光的 干涉）。实验表明 ，在电场作用下，主折射率之差与电场强度的平方成正比。电场改变时， 通过P2的光强跟着变化，故克尔效应可用来对光波进行调制。液体在电场作用下产生极化， 这是产生双折射性的原因。电场的极化作用非常迅速，在加电场后不到10-9秒内就可完成 极化过程，撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效应的这种迅速动作的 性质可用来制造几乎无惯性的光的开关——光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获 得了重要应用。
实验部分：
1.样品制备 样品基底（Al2O3、SiO2、LiNbO3…..）一般通过 化学方法制备或直接购买，基底制备好后，采用金 属蒸汽真空弧离子源离子注入机（MEVVA）在室温 下将金属粒子（Ni，Cu，Fe…）注入基底中，得到 所需的实验样品。 2.实验分析 2.1.光学吸收谱 在室温下利用紫外可见双光束分光计记录样品的 光学吸收谱。
2001年诺贝尔物理奖得主
Eric A. Cornell (USA)
Wolfgang Ketterle (Germany)
Carl E. Wieman (USA)
"for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates"
非线性光学中光限幅机理的研究
非线性光限幅器的原理是非线性光限幅效应。当激光激发 介质时，在低光强下，输出光强随着入射光强的增加而线性 增加。而当入射光强达到一定的阀值后，由于介质的非线性 光学效应，输出光强增加缓慢或不在增加的一种非线性光学 现象，这种光学现象就是所谓的非线性光限幅效应。
3.光限幅机理：
3.3.非线性散射 基于非线性散射的光限幅器的工作原理如下图所示。
3.4.非线性反射 非线性界面反射光限幅效应是通过介质的非线性折射率 的改变，导致在界面上发生非线性反射来实现的。最初把 线性材料和非线性材料的界面称为非线形界面。这种防护 器的工作原理如图：
3.5光学双稳态 由非线性光学材料构成的双稳态，在弱辐射下，透射光 呈低透射态，反射光呈高反射态，将反射光引入光电传感 器，保证光电传感器对信号的接收。当入射光达到光学双 稳态临界值时，透射光呈高透射态，进入到光电传感器的 反射光被衰减，达到保护光电传感器的目的。 3.6 结论 上面的每一种非线性光学效应都可以用来制作光限幅器， 另外，这些效应还可以合并使用，用以制作复合型光限幅 器。已经实现的有：激发态吸收/ 热自散焦复合型、热散 焦/ 散射复合型、双光子吸收/ 自散焦复合型、激发态吸收 / 无规界面非线性散射复合型等。
3.1非线性吸收光限幅机理 3.1.1反饱和吸收（RSA） 反饱和吸收（Reverse Saturable Absorption） 的特点是 吸收系数随入射光强增大而增大，可以用如图1- 1 所示的简 化三能级模型描述。
它发生的条件是介质的激发态吸收截面大于基态的吸收 截面。在反饱和吸收介质中光强随传播距离的变化关系为：
（2） （ 3 ） （4） （ 5）
根据电位移矢量D
=ε0 E + P，最终可以导出
上式表明: 当介质的电极化强度P 随时间变化且 时, 介质就 像一个辐射源, 向外辐射新的光波,新光波的光矢量E 由上述方程 决定。
1.3.非线性光学量子理论解释
将作用光场与组成介质的粒子(原子、分子) 看成一个统一的量子力学 体系而加以量子化描述,认为粒子体系在其不同本征能级间跃变的同时,必 然伴随着作用光场光子在不同量子状态分布的变化(如光子的吸收、发射 或散射等) ,此时对整个物理过程的描述必须引入所谓中间状态的概念. 在 这种中间状态内,光场的光子数目发生了变化,粒子离开原来所处的本征能 级而进入激发状态;但粒子并不是确定地处于某一个本征能级上,而是以一 定的几率分别处于它所可能的其他能级之上(初始能级除外) . 为了直观地 表示这一状态,人们又引入了虚能级的图解表示方法. 在用虚能级表示的 这种中间状态中, 由于介质粒子的能级去向完全不确定,则按照不确定关 系原理,粒子在中间状态(虚能级) 上停留的时间将趋于无穷短.