非线性光学及其现象
光学非线性现象
题目(中)关于玻璃非线性现象研究的评论(英) The comment about Nonlinear Optical Phenomena in Glass姓名：王晓丹学号： 48指导教师叶辉年级与专业大二光电信息工程所在学院求是学院一．光学Kerr 效应1. 什么是光学Kerr 效应光学Kerr 效应是一种四波混频的三阶光学非线性效应，其主要表现为材料的折射率与光场强度相关。
克尔（Kerr ）在1875年发现: 线偏振光通过外加电场作用的玻璃时, 会变成椭圆偏振光, 如图所示, 当旋转检偏器时, 输出光不消失。
在电场作用下, 玻璃由原来的各向同性变成了光学各向异性, 外加电场感应引起了双折射, 其折射率的变化与外加电场的平方成正比, 这就是著名的克尔效应。
2. 光学Kerr 效应的作用机理2. 1介质的非线性电极化理论在入射光场作用下,组成介质的原子、分子或离子的运动状态和电荷分布都要发生一定形式的变化,形成电偶极子,产生电偶极矩并进而辐射出新的光波. 在此过程中,介质的电极化强度矢量P 是一个重要的物理量. P 与入射光矢量E 成非线性关系,即：P = ε0 (χ1 E + χ2 EE + χ3 EEE + ⋯) (1)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. 研究表明χ1 ,χ2 ,χ3 ⋯依次减弱,在普通光入射情况下,二阶以上的电极化强度均可忽略,介质只表现出线性光学性质. 而当用单色强激光入射, 光场强度| E| 的数量级可与| E0| (| E0| 为原子内平均电场强度大小) 相比或者接近, 二阶或三阶电极化强度的贡献不可忽略,就会产生非线性光学效应.既然介质中的感应电偶极子辐射出新的光波,产生非线性光学效应,那么新光波的光矢量如何由电极化强度决定呢? 这可以从麦克斯韦方程组推导出的波动方程加以说明.2. 2 非线性光学的量子理论解释采用量子电动力学的基本概念去解释各种非线性光学现象，既能充分反映强激光场的相干波动特性,同时又能反映光场具有能量、动量作用的粒子特点，从而可对许多非线性光学效应的物理实质给出简明的图像描述。
光学器件中的非线性光学效应
光学器件中的非线性光学效应光学器件是现代光学科学和技术的重要组成部分，它们在通信、成像、传感和能量转换等领域发挥着重要作用。
而非线性光学效应则是光学器件中的一个重要现象，它在光学器件的设计和应用中起着关键的作用。
非线性光学效应是指当光与物质相互作用时，光的传播性质不再遵循线性光学效应，而呈现出非线性响应的现象。
这种非线性响应可以通过非线性光学系数来描述，而非线性光学系数则是描述物质对光的非线性响应程度的物理量。
一个典型的非线性光学效应是二次谐波发生。
在非线性光学材料中，当光束通过时，会产生频率为原始光频率的两倍的二次谐波。
这种二次谐波发生现象在很多光学器件中都得到了广泛应用，例如激光器、光纤通信系统和光学传感器等。
除了二次谐波发生外，还有一些其他的非线性光学效应也被广泛研究和应用。
其中之一是光学 Kerr 效应，它是指当光束通过非线性光学材料时，光的折射率会随着光强的变化而变化。
这种光学 Kerr 效应在光学调制器、光学开关和光学限幅器等器件中被广泛应用。
此外，还有一种非线性光学效应叫做自相位调制效应。
这种效应是指当光束通过非线性光学材料时，光的相位会随着光强的变化而变化。
这种自相位调制效应在光纤通信系统和光学干涉仪等器件中得到了广泛应用。
非线性光学效应的研究和应用离不开非线性光学材料的发展。
非线性光学材料是指具有较大非线性光学系数的材料，它们可以在较低光强下产生较大的非线性光学效应。
目前，常用的非线性光学材料主要包括二极管材料、非线性晶体材料和有机非线性光学材料等。
在光学器件的设计和应用中，非线性光学效应的研究和利用具有重要意义。
通过合理设计光学器件的结构和材料，可以实现对光的频率、相位和强度等参数的精确控制。
这种精确控制能够使光学器件具有更高的性能和更广泛的应用领域。
总结起来，光学器件中的非线性光学效应是一种重要的现象，它在光学器件的设计和应用中起着关键的作用。
通过研究非线性光学效应，可以实现对光的精确控制，从而提高光学器件的性能和应用范围。
光学研究中的非线性现象
光学研究中的非线性现象光学研究中的非线性现象指的是光的传播过程中，光的强度、相位和极化等量随光的强度发生变化的现象。
这些变化不是简单的比例关系，而是非线性关系，即光强的平方、立方等幂次。
非线性效应广泛存在于光学研究中，如非线性光学、非线性光谱学、非线性光学器件等。
它们在光学通信、光存储、光计算、生物医学和材料科学等领域都有着广泛的应用。
非线性光学非线性光学是指在光强足够大时，光与物质之间的相互作用会出现非线性效应，如双光子吸收、三阶非线性折射、四波混频等。
这些现象是因为物质中电场产生的极化电荷会随着光强的增加而非线性地变化，进而改变光的传播性质。
双光子吸收是指当光的强度足够大时，两束光子在物质中相遇，被同时吸收并产生激发态。
这种效应在材料科学、刻蚀、晶体生长等领域有着广泛的应用。
三阶非线性折射是指当光的强度足够大时，介质中的电子会受到光场力的作用而发生位移，导致折射率随光强的变化而非线性变化。
这种效应可用于光纤通信中的信号调制和光电子器件的调制。
四波混频是指当存在多个频率的光波时，它们之间会互相干扰，在物质中产生新的频率成分。
这种效应可用于光学频率梳、频率倍增和频率混频等应用。
非线性光谱学非线性光谱学是指通过非线性光学现象来解析物质的结构和性质。
它涉及到很多的技术，如固体激光器、脉冲压缩、超快光谱等。
其中，超快光谱学是最常用的一种技术。
它利用飞秒激光通过多晶体或者单晶体产生的高阶谐波，测量物质的结构和性质。
这种技术比传统的线性光谱学具有更高的分辨率和更强的灵敏度，可被用于表征光致电荷转移和光致电荷分离等结构。
非线性光学器件非线性光学器件是指基于非线性光学效应，能够在光学通信、光存储和光计算等领域中发挥作用的光学器件。
其中，最典型的器件是二阶非线性光学器件，如频率倍增器、光学调制器和光学开关。
这些器件可被用作频率转换、信号调制和光学计算等方面。
另外，近年来，基于非线性光学效应的集成光学器件也受到了越来越多的关注。
非线性光学-第二章
(
)
(
v v 1 3 2 3 (2) (1 ) (3) P = ε 0 x E 0 + (ε 0 x E 0 + ε 0 x E 0 ) cos ω t − k ⋅ r 4 2
(
) )
v v 1 v v 1 2 3 (2) ( 3) + ε 0 x E 0 cos 2ω t − 2 k ⋅ r + ε 0 x E 0 cos 3ω t − 3 k ⋅ r + L 2 4 = P ( 0 ) + P (1) + P ( 2 ) + P ( 3 ) + L
(
)
(
)
(
Hale Waihona Puke ) ()和频
差频
举例三：若光场 由一系列频率为 由一系列频率为ω 举例三：若光场E由一系列频率为ω1, ω2, …ωN的单色光组成，同 ω 的单色光组成， 方向入射到电介质中，电极化强度P又如何表示呢？ 方向入射到电介质中，电极化强度 又如何表示呢？
v v 第i个光场表示为 Ei = E0i cos(ωi t − ki ⋅ r ) 个光场表示为
为简单起见，上式先假定 为简单起见，上式先假定E, P及各阶极化率χ（i）均为标量 及各阶极化率 ） v v 举例一： 举例一：假设入射光场为单频余弦波 E = E0 cos ωt − k ⋅ r
(
)
将入射光场代入极化强度表达式中
v v v v v v 2 3 ( 2) 2 (3) 3 P = ε0 x E0 cos ωt − k ⋅ r + ε0 x E0 cos ωt − k ⋅ r + ε0 x E0 cos ωt − k ⋅ r +L
(1)
非线性光学晶体
• (四)良好的化学稳定性, 不易风化, 不易潮解, 在较宽的温 度范围内无相变, 不分解, 以保证能在没有特殊保护的条件 下长期使用. 良好的力学性能使晶体易于切割抛磨, 镀覆各 种光学膜层,制作各种实用器件, 也是十分重要的.
我国先进技术
• 2016年，有这样一篇文章： • “十七年了！美骄傲公布：这一领域终于打破中国的技术
• KBBF是一种非线性光学晶体，可以将激光的波长转换为 176纳米，应用到国防军工领域，将大大提升激光反导弹 系统、激光国土探测等各种技术水平。甚至世界各国的下 一代战略武器发展计划，都绕不开KBBF技术的支持。
• 而这项技术，是由中科院的陈创天院士研发出来的，从 1980年代就开始积累相关技术，独步全球。
目录
01
非物线联网性基光本学概念
02
相位匹配
03 非线性光学现象
04 非线性光学晶体材料
05
我国先进技术
非线性光学 • 所谓线性光学，其最大的特点就是不改变光的频率、不与
介质发生能量交换。那根据此就可以推断出，会发生能量 交换、会改变频率的就是非线性光学。
相位匹配
• 相位匹配的物理本质（以倍频为例，就是光的频率翻倍）是 让基频光在晶体中传播，然后沿途激发出倍频光，由于相速 度相同，所以相位是一致的，这样沿途激发的倍频光可满足 干涉条件，从而极大地增强倍频光的光强。
• 3. 光折变晶体
• 钛酸钡; 铌酸钾; 铌酸锂等
• 特点: 仍需要寻找具有光折变灵敏度高, 响应速度快, 衍射 效率高等特点的新型光折变晶体材料.
• 二、非线性光学晶体应具备的性能
• (一)大的非线性光学系数
• (二)适当的双折射率, 能够在应用的波段区域内实现相位 匹配, 而且相位匹配的角度宽容度和温度宽容度要大, 如果 能够实现非临界相位匹配或通过温度调谐等方法实现非临 界相位匹配则更好.
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。
固体物理学基础晶体的非线性光学与光子晶体
固体物理学基础晶体的非线性光学与光子晶体在固体物理学的研究领域中，晶体的非线性光学与光子晶体是一个重要的研究课题。
本文将介绍晶体的非线性光学现象，并探讨光子晶体在光学中的应用。
一、晶体的非线性光学现象晶体是一种高度有序排列的原子、离子或分子的固体，拥有特殊的光学性质。
在晶体中，当光与晶体相互作用时，会产生非一致于线性光学性质的响应，这就是非线性光学现象。
1. 非线性光学效应非线性光学效应包括：- 非线性折射：当入射光强很强时，光线会发生折射角的变化；- 非线性吸收：当入射光强很强时，晶体会吸收部分光能；- 非线性色散：入射光的频率对折射率的变化不是线性关系；- 非线性光学压电效应：晶体中的离子在光场的作用下发生无规则的振动。
2. 非线性极化在非线性光学中，晶体的非线性极化效应是其中的重要机制之一。
根据光与晶格相互作用的形式，可以分为等离子体极化、电子极化和离子极化。
其中，等离子体极化主要在高频区起作用，电子极化和离子极化主要在低频区起作用。
3. 二次谐波发生器晶体的非线性光学现象常用于二次谐波发生器中。
二次谐波发生器利用非线性折射效应，将入射的单频光线转换为频率为二倍的谐波光线。
这一特性可以用于光学通信、激光器频率加倍和超快光学测量等领域。
二、光子晶体的应用光子晶体是一种周期性的介质结构，具有光禁带和光子带隙效应。
它可以控制光波的传播和操控，因此在光学中具有广泛的应用潜力。
1. 光子晶体的基本结构光子晶体的基本结构是由周期性排列的介质单元组成。
介质单元的尺寸和组成决定了光子晶体的光学性质。
光子晶体可以用于制造光学滤波器、反射镜和光波导等光学元件。
2. 光子晶体的光子带隙光子带隙是光子晶体的特殊性质之一，它可以阻止特定频率范围内的光波传播。
这种特性使光子晶体在光学通信、光学传感和光学计算等领域有着广泛的应用前景。
3. 光子晶体的光子引导由于光子晶体的周期性结构，它可以用作光子波导，实现光波的引导和控制。
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