非线性光学简介
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。
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。
非线性光学性质、原理及应用
实例：
在金属氧化物氧化锆表 面水和甲醇的竞争吸附， 溶液和固体都是各向同 性材料，将水与甲醇配 成一定比例，二者吸附 在氧化锆表面，用红外 可见激光照射。光谱图 上的峰值与甲醇的的表 面浓度有关，含量不同， SFG响应值也不同。 峰值振幅的平方与表面 浓度成正比，因此可以 反应甲醇界面浓度与总 体浓度的关系。
光与介质相互作用，介质的物理量如：极化 率、吸收系数、折射率与光场强度有关，成 一定的函数关系
三：非线性光学材料需具备哪些条件呢？
1：较大的非线性极化率 2：较大的激光损伤阈值（LDT-laser damage threshold），能承受较大的激光功率和能量 3：有位相匹配能力 4：优良的机械化学稳定性 5：宽能带间隙（large energy bandgap）
光学二次谐波的产生
ω1
非线性光学晶体
ω 2= 2ω 1
线性光学与非线性光学的主要区别
线性光学 入射光强与透射光强之间一般成线性关系 非线性光学 入射光强与透射光强之间成非线性关系
多束光在介质中交叉传播，不发生能量交换，多束光在介质中交叉传播，可能发生能量交 也不改变各自的频率 换 光在介质中传播，通过干涉、衍射、折射改 变光能量的空间分布和传播方向，不改变光 的频率 光作用于介质，不改变介质的物理量，介质 的物理量与光场强度无关 一定频率的光入射介质，可以通过与介质相 互作用各自的频率或产生新频率，
Hale Waihona Puke 分子吸附在介质表面时，产生SFG（和频） 信号，当非线性分子离开界面时，SFG信 号会消失。
Ai和Mi分别指红外和拉曼的转移矩阵（在频率 ω i和谱线宽Γ i时特定的振动模式） N-吸附物质在界面的吸附密度 二阶非线性响应值与界面覆盖程度成正比。 SFG信号强度与非线性极化率的平方成正比。 红外和拉曼技术不能区分溶液内部和界面 上的分子，难以分析物质的表面性质，而和频 可以做到。
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
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
什么是非线性光学
什么是非线性光学分类:教育/科学 >> 科学技术解析:非线性光学nonlinear optics现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。
激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理（见光的独立传播原理）。
在上述条件下研究光学问题称为线性光学。
对很强的激光，例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象。
介质极化率P与场强的关系可写成P＝α1E＋α2E2＋α3E3＋…非线性效应是E项及更高幂次项起作用的结果。
常见非线性光学现象有：①光学整流。
E2项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的极化电荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关，类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。
②产生高次谐波。
弱光进入介质后频率保持不变。
强光进入介质后，由于介质的非线性效应，除原来的频率ω外，还将出现2ω、3ω、……等的高次谐波。
1961年美国的P.A.弗兰肯和他的同事们首次在实验上观察到二次谐波。
他们把红宝石激光器发出的3千瓦红色（6943埃）激光脉冲聚焦到石英晶片上，观察到了波长为3471.5埃的紫外二次谐波。
若把一块铌酸钡钠晶体放在1瓦、1.06微米波长的激光器腔内，可得到连续的1瓦二次谐波激光，波长为5323埃。
非线性介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用。
③光学混频。
当两束频率为ω1和ω2（ω1＞ω2）的激光同时射入介质时，如果只考虑极化强度P的二次项，将产生频率为ω1＋ω2的和频项和频率为ω1－ω2的差频项。
利用光学混频效应可 ... 光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可发射从红外到紫外的相干辐射。
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。
非线性光学的理论基础
非线性光学的理论基础非线性光学（Nonlinear Optics）是研究光在非线性介质中的传播和相互作用的科学。
相对于线性光学而言，非线性光学永远都是需要考虑的，因为非线性光学效应中产生的二次谐波、三次谐波等高次谐波能够被广泛应用于各种实际的光学系统中。
非线性光学是由电场强度引起的，因此电场强度与电子、离子密度和极化程度有关。
传统的线性光学理论是建立在电场强度小的假定之上，因此可以忽略介质的非线性性质。
而非线性光学理论需要考虑电场强度大的情况，其是建立在相对论物理和量子力学理论基础之上的，并且有时需要数值模拟得到更精确的结果。
非线性光学中最重要的一个概念是极化率，它是介质的响应函数，表示单位电场强度下单位体积（或长度）内极化密度的增量。
在线性光学中，介质的极化率是常数，而在非线性光学中，极化率则会随着电场强度的变化而变化。
如果考虑二次非线性光学效应，则极化率是二阶张量，反映了各种各样的对称性和不对称性。
非线性光学过程的强度非常大，往往需要考虑空间分散和时间反应的影响。
这些效应都归结为Maxwell方程的非线性形式，通常称为非线性Maxwell方程。
非线性Maxwell方程是非线性光学的核心方程，其解是非线性光学效应的理论预测。
非线性光学效应具有丰富的物理现象，它们可以分为光学非线性效应和击穿效应两类。
在光学非线性效应中，最常见的是二次和三次非线性效应。
二次非线性效应包括二次谐波产生、光学混频、光学克尔效应等；而三次非线性效应则包括自聚焦、自相位调节、自作用、散射等。
击穿效应则是指能级结构发生改变而引起强电场的效应，产生的现象有光致击穿、电致击穿、阈值击穿等。
非线性光学的理论基础不仅仅依赖于Maxwell方程和极化率的性质，还与量子力学的一些基本原则有关。
对于非线性光学效应的研究，量子力学的一个最重要的概念是相干态（Coherent states）。
相干态是量子态的一种，它是由一个连续的波函数表示的，可以看成是经典光学中平面波的量子版本。
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光整流效应： P 中的直流成分表明，光照晶体 可在晶体的某两个表面间产生直流电压。 水 3471.5 Å 二倍频现象： 晶 6943 Å 片
红宝石激光器
脉冲 棱镜
应用： ◆ 使不可见光→可见光（改变光颜色）；
◆
可提高产生所需频率激光的效率。
倍
例如： Nd3+ 激光器→1.064m → 0.532m 绿光 频
钕 不可见 易获高功率 可见 用途广
演示 激光倍频（KG045）
6
由二极管泵浦的Nd:YAG激光器产生的二倍频激光（532nm）装置 （采用自调Q、腔内倍频技术，清华大学物理系研制）
7
二. 混频效应 设输入两束光 ，角频率为 1 、 2 总场强 E = E10 cos 1 t + E20 cos 2 t 则二次项： （2）E2 = （2）（E10 cos1t + E20 cos2t）2 = （2）E102 /2（1+cos21t）+ +（2）E202 /2（1+cos22t）+ +（2）E10 E20 cos(1+2)t + cos(1-2)t
对普通光
此时
E ～ 10 4 V/m，
( 2) E 2 ( 2) E (1) E 10 6 E原子 (1) E
高阶项不重要，只留第一项，是线性效应。
对激光
E 可很容易达到并超过10 8 V/m 此时第二项 ( 2 ) E 2 就不能忽略了，介质就表现
出了各种非线性效应。 1961年弗兰肯（P.A.Farnken）等首先观察到 光学倍频这一非线性现象。此后，非线性光学发 展迅速，并很快形成为一个专门的新兴的学科。
E 不太大时（弱光） —— P与 E 成线性关系
极化强度 P 0 ( r 1) E 0 e E
式中
e r 1 —— 介质的电极化率
2
★
当电场强度 E 很大时（强光）
P 0 (1) E ( 2 ) E 2 ( 3 ) E 3
10
I
I0
透明
不透明
I
非线性 法布里— 珀罗腔 电光晶体 I0 —为入射光强
I — 为透射光强
I 0 I 0 I0 入射光强与透射光强间具有滞后回线的特性。
0
在 I0 和 I0 区间内，每一入射光的光强所对应的 透射光的光强有两种稳定状态 ——光学双稳态。 光学双稳态器件有可能用在：高速光通讯、 光学图象处理、光学限幅器、 光存储以及光学 逻辑元件等方面。 11
半导体制成的光学双稳态器件有如下特点： 尺寸小：直径几 mm 厚度101 ～102m 功耗低：10 W/m2 ～ 1 W/m2 开关时间短： ～ 10 - 12 s 它有可能成为未来的光学计算机的逻辑元件。 当前光学双稳态已成为非常活跃的研究课题。 除以上举例介绍的几种非线性光学效应外， 常见的非线性光学效应还有受激拉曼散射、自聚 焦与自散焦、 多光子吸收等，此处再不介绍了。
( 3 ) —— 三次（阶）非线性极化率 可以证明，各次极化率间有如下关系：
( 2 ) —— 二次（阶）非线性极化率
(1)—— 线性极化率
—— E 和 P 呈非线性关系
( 2) ( 3) (4) 1 ( 2) ( 3) ， 原子 1010 V/m E (1 ) E原子 各向异性介质中，极化率是张量，P 和 E 的关系 较复杂，这里不再做介绍。 3
* 非线性光学简介
（nonlinear optics）
பைடு நூலகம்
图为中国科学院福建物质结构研究所研制的非线性光学晶体三硼酸
1 锂，被美国评为1989年度国际激光与光电子技术领域十大产品之一
*非线性光学简介
弱光在介质中符合叠加原理 — 线性光学 强光在介质中不符合叠加原理 — 非线性光学 对各向同性介质
★ 当电场强度
三 . 光致透明和光学双稳态 激光很强时，物质的吸收系数会与光强有关。 物质的吸收系数正比于上、下能级粒子数差。 强光可使物质分子的一半处于激发态， 此时吸 收系数为0，从而使本来不透明的物质变得透明 ——光致透明。 在电磁学中，磁滞回线（即 B～H 曲线）有 非线性性质，利用它可以制作记忆元件。 非线性光学中也有类似于磁滞回线的现象：
“非线性光学简介”结
束
12
4
下面举例介绍几种常见的非线性光学现象： 一. 倍频效应 由极化强度 P 中的第二项0（2）E 2引起的
二阶非线性效应： 若 E =E0 cos t，则
原有频率
第一项 0 （1）E = 0（1）E0 cos t 第二项 0（2）E 2 = 0（2）E02 cos2 t
= 0（2）E02/ 2（1+cos2 t）
8
激光器1 1
2
激光器2
1 2
1 2 21 2 2 1 2 1+ 2
晶体 （KH2PO4）
1- 2
1 2
1+ 2
2 1 2 2 和频与差频能获得更多频率的相干强光辐射。 例如，利用和频可产生可见光至紫外的强光辐射， 而用差频则可产生波长较长的红外至亚毫米段微 波区的强光辐射。 9