张毅 第三章 二阶非线性光学效应1幻灯片课件
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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。
第4章二阶非线性光学效应
0
1 n2
2
E0 0
1
n
2 y
,
1 n2
5
E0 0
0
1 n2
3
E0 0
1 nz2
,
1 n2
6
E0 0
0
(4.1-7)
第4章 二阶非线性光学效应
1） KDP（KH2PO4）晶体中的线性电光效应
KDP晶体属于42m对称群, 其光轴取为z轴, 另外两 个对称轴为x轴和y轴。 根据表4.1-1, 它的线性电光张量 的非零元素只有γ41=γ52和γ63, 其矩阵形式为
[ (2) (3,1)
:
a(2 )a(3)a(1)]E(3,
z)E(1,
z)eikz
(4.3-12)
dE(3, t )
dz
i32
k3c2
[ (2) (1,2 )
:
a(3)a(1)a(2 )]E(1,
z ) E (2 ,
z)eikz
(4.3-13)
第4章 二阶非线性光学效应
4.3.2 曼利-罗关系
乘 乘
第4章 二阶非线性光学效应
线性电光效应是一种特殊的二阶非线性光学效应。 在这里, 作用于介质的两个电场， 一个是光电场, 另一 个是低频场或直流场, 在这两个电场的作用下产生了二 阶非线性极化。 现在假定作用于介质的直流场为E0、 光电场为E exp(-iωt)+c.c., 则根据极化强度的一般表示 式（1.1-39）式和（1.1-40）式, 有
z )e ik 2 z
dE(3,
dz
z)
i320
2k3
a(3)
PNL (3,
z )e ik3 z
非线性光纤光学第一章-绪论ppt课件.ppt
折射率分布函数
✓归一化频率 归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量。
V ak0
n12 n22
12
2 a
NA
2
an1
2
V值越大，能够传播的模式越多！ 可传播的模式数
M 1V2 2
V 2.405 时，只传输基模。
归一化频率与归一化传输常数的关系曲线
✓单模光纤截止波长
当V<2.405时，光纤只能传输基模一个模式，其他模式 均被截止。满足单模传输条件的最小波长称为截止波长，
光纤和通信
➢ 古希腊人用烽火来传播特洛伊战争的消息—最早的光通信
➢ 1953 年 ， 在 伦 敦 皇 家 科 学 技 术 学 院 工 作 的 Narinder Kapany开发出了用不同光学玻璃作芯和包层的包层纤维， 这也就诞生了今天所用光纤的结构，“光纤”这个词就是 Kapany给出的。
➢ 1960年 Mainman 制作出第一台激光器才引发人们对光 通信的关注。但是最初光纤的损耗很大，只传输3m就可 以损失掉一半的能量，传输20m就只剩下1％。用在胃部 检查还可以,用于光通信不可能。
表示光纤性质的光学参数
✓ 相对折射率差(阶跃光纤) 相对折射率差是表示纤芯和包层折射率差异程度的参数， 其物理含义是表示把光封闭在光纤中的难易程度。
n12 n22 2n12
包层折射率 纤芯折射率
✓数值孔径（NA）
n1 n2 > n0
n0
<max
A B
>max
B
>c
< c 900_ c
包层 纤芯
涂覆层
光纤的基本结构
✓ 特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并
非线性光学ppt课件
目前发展起来的非线性物理学科包括：
* 非线性光学（Nonlinear Optics） * 非线性声学 （Nonlinear Acoustics） * 非线性动力学 （Nonlinear Dynamics）
* 量子混沌 (Quantum Chaos) ……
13
非线性光学 绪 论
研究范畴
非线性光学是研究强光与物质相互作
射、折射可以改变空间能量的分布和 互作用转换成其它频率的光（如倍频），
传播方向，但与介质不发生能量的交 还可以产生一系列在光谱上周期分布的
换，不改变光的频率
不同频率和光强（受激拉曼散射）
多束光在介质中交叉传播，不发生能 量相互交换，不改变各自的频率
多束光在介质中交叉传播，可能发生能 量相互转移，改变各自频率或产生新的 频率（三波和四波混频）
多束光在介质中交叉传播，各光束的 相位信息彼此不能相互传递
光束之间可以相互传递相位信息，而且
两束光的相位可以互相共轭（光学相位
共轭）
24
非线性光学过程的能量、动量条件
25
发展历史（三阶段）
1）非线性光学的早期10年 （1961-1970）
1961，红宝石激光倍频(SHG)
（标志非线性光学真正诞生）
性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性 叠加原理
非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，
在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不 同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不 成立
激光技术催生非线性光学的出现并推动了其 发展。
23
线性光学
非线性光学
单束光在介质中传播，通过干涉、衍 某一频率的入射光，可通过与介质的相
21
非/线性描述的适用范围
* 非线性光学（Nonlinear Optics） * 非线性声学 （Nonlinear Acoustics） * 非线性动力学 （Nonlinear Dynamics）
* 量子混沌 (Quantum Chaos) ……
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非线性光学 绪 论
研究范畴
非线性光学是研究强光与物质相互作
射、折射可以改变空间能量的分布和 互作用转换成其它频率的光（如倍频），
传播方向，但与介质不发生能量的交 还可以产生一系列在光谱上周期分布的
换，不改变光的频率
不同频率和光强（受激拉曼散射）
多束光在介质中交叉传播，不发生能 量相互交换，不改变各自的频率
多束光在介质中交叉传播，可能发生能 量相互转移，改变各自频率或产生新的 频率（三波和四波混频）
多束光在介质中交叉传播，各光束的 相位信息彼此不能相互传递
光束之间可以相互传递相位信息，而且
两束光的相位可以互相共轭（光学相位
共轭）
24
非线性光学过程的能量、动量条件
25
发展历史（三阶段）
1）非线性光学的早期10年 （1961-1970）
1961，红宝石激光倍频(SHG)
（标志非线性光学真正诞生）
性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性 叠加原理
非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，
在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不 同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不 成立
激光技术催生非线性光学的出现并推动了其 发展。
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线性光学
非线性光学
单束光在介质中传播，通过干涉、衍 某一频率的入射光，可通过与介质的相
21
非/线性描述的适用范围
非线性光学2.3.2课件(1)
按 函数相似的方式 R(t )dt 1 归一化，将方程（2.3.30） 代入方程（2.1.10）可得非线性极化率为:
t (3) PNL (r , t ) 0 E (r , t ) R(t t1 ) |E (r , t1 ) |2 dt1
z 2 A 1 2 2 3 3 t 2 t 6 t
| A( z , t t ) |2 | A( z , t ) |2 t 延时拉曼响应对非线性极化的贡献 | A( z , t ) |2 t
对于窄于5Ps (2.3.34) 的脉冲成立。 (2.3.37) (2.3.38)
Байду номын сангаас
做变换： T t z vg t 1z （如下图所示） 定义： TR tR (t ) dt f R thR (t )dt f R
非线性响应函数的 一次矩阵。
) d (Im h R d ( )
0
A A i 2A 1 3A A 1 2 2 3 3 z 2 t 2 t 6 t （2.3.33） i i (1 )[ A( z, t ) R(t ) | A( z, t t ) |2 dt ] 0 t
A A i 2A 1 2 2 A i | A |2 A （2.3.27） z t 2 t 2
变换过后的慢变振幅A(z,T)可作如下变化： T t 1 z
A( z , t ) A( z , T ) A( z , T ) T z z T z A( z , t ) A( z , T ) A( z , T ) ( 1 ) z z T
由以上所得结果做傅里叶变换（由时域到频域）可以得到：
二阶非线性光学效应石顺祥
40E 02 z (2)x(y,)axay
(4.2-3)
第二十二页，课件共有112页
第4章 二阶非线性光学效应
这表示在z方向有一个恒定的极化强度分量P0z。 假 设光波的传播方向k与晶轴x之间的夹角为θ, 则有
xsin , ayco s
将其代入（4.2-3）式, 便得
P 0z 20E 02 z (2)x(y,)si2n (4.2-4)
4.1 线性电光效应
线性电光效应也叫做普克尔（Pockler）效应。 当 没有反演中心的晶体受到直流电场或低频电场作用时, 其折射率发生与外加电场成线性关系的变化。 应当指 出的是, 这里所说的低频电场是与光频比较而言, 所以微 波频率也包括在内。
第二页，课件共有112页
第4章 二阶非线性光学效应
由此可见, 直流电场的作用使得介质对频率为ω的极化率
张量改变了 2(2) (,0。)E在0这种情况下, 电位移矢量为
D=ε0E+PL+PNL=ε·E+PNL
第四页，课件共有112页
第4章 二阶非线性光学效应
或用分量形式表示为
D 0E P 0( 2 (2)( ,0)E 0)E 0()efE f
(4.1-4)
线性电光效应是一种特殊的二阶非线性光学效应。 在这里, 作用于介质的两个电场， 一个是光电场, 另一 个是低频场或直流场, 在这两个电场的作用下产生了二 阶非线性极化。 现在假定作用于介质的直流场为E0、 光电场为E exp(-iωt)+c.c., 则根据极化强度的一般表示 式（1.1-39）式和（1.1-40）式, 有
n x o 2 2 n y o 2 2 n x e 2 2 24E 1 0 xy z 24E 1 0 yz x 26E 3 (0 4x .x 1-23 )y 1
非线性光学课件
光参量放大器： 利用非线性光 学效应，通过 控制输入光的 参量如振幅、 相位、偏振态 等实现光信号
的放大。
光参量振荡器： 利用非线性晶 体产生特定波 长的激光输出， 具有频率稳定、 波长可调谐等
优点。低频率的光输
出。
非线性光学应用
光通信领域应用
添加副标题
非线性光学课件
汇报人：
目录
PART One
添加目录标题
PART Three
非线性光学原理
PART Two
非线性光学概述
PART Four
非线性光学材料
PART Five
非线性光学器件
PART Six
非线性光学应用
单击添加章节标题
非线性光学概述
定义与性质
非线性光学的定 义
非线性光学的性 质
光孤子通信
光纤放大器
光纤激光器
光纤传感技术
生物医学领域应用
光学显微镜：利用非线性光学效应提高显微镜的成像质量，能够观察更细 微的结构。
光镊技术：通过非线性光学效应产生的光场束缚和操控细胞、病毒等生物 微粒，为生物医学研究提供新的工具。
光学成像：利用非线性光学成像技术可以对生物组织进行高分辨率、高对 比度的成像，提高医学诊断的准确性和效率。
非线性折射率
定义：非线性折射 率是指材料在强光 作用下折射率随光 强的变化而变化的 现象
产生原因：与材 料中的微观结构 和分子排列有关
表现形式：在强光 作用下，材料折射 率会发生变化，导 致光的传播方向发 生改变
应用领域：在光 学通信、光学成 像等领域有着广 泛的应用前景
非线性吸收系数
定义：非线性吸收系数是描述物质在强光作用下非线性吸收特性的参数 影响因素：包括光强、光束宽度、物质浓度等 计算方法：通过实验测量或理论计算得到 应用领域：在光学通信、光学传感等领域有着广泛的应用
《非线性光学》PPT课件
非线性光学
ppt课件
1
内容提要
线性与非线性光学 非线性光学的发展史 本课程的主要内容与大纲 本课程的教学安排 参考书
ppt课件
2
线性光学与非线性光学
激光问世之前，光学研究的基本前提是：
介质的极化强度与光波的电场强度成正比；
P＝cE
光束在介质中传播时，介质光学性质的极化率 /折射率是与光强无关的常量；
上世纪60年代初及中期，在上述非线性现象发现的同时 以Bloembergen及他的学生为主
基本建立了以介质极化和耦合方程为基础的非线性光学理论
ppt课件
15
非线性光学的发展历史
布隆姆贝根是非线性光学理论的奠基人。 他提出了一个能够描述液体、半导体和金 属等物质的许多非线性光学现象的一般理 论框架。他和他的学派在以下三个方面为 非线性光学奠定了理论基础：
滤光片
红宝石
694.3nm
石英晶体 347.15nm 底片
非线性光学这个新学科的出现！ppt课件源自8非线性光学的发展历史
非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期
1961～1965年：非线性光学效应大量而迅速地出现：
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。
I out 光学双稳态
ppt课件
21
非线性光学的发展历史
70年代中期发现利用四波混频可以实现相 位共轭，这是非线性光学中一个重要的发 现。
70年代初，光学克尔效应得到实验验证。
1976年，观察到由于折射率随光强变化产生的光学 双稳态效应，从而开始了无论在物理上还是在应用 上都是十分重要的非线性光学研究的一个分支：光 学双稳态的研究。
ppt课件
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1
内容提要
线性与非线性光学 非线性光学的发展史 本课程的主要内容与大纲 本课程的教学安排 参考书
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2
线性光学与非线性光学
激光问世之前，光学研究的基本前提是：
介质的极化强度与光波的电场强度成正比；
P＝cE
光束在介质中传播时，介质光学性质的极化率 /折射率是与光强无关的常量；
上世纪60年代初及中期，在上述非线性现象发现的同时 以Bloembergen及他的学生为主
基本建立了以介质极化和耦合方程为基础的非线性光学理论
ppt课件
15
非线性光学的发展历史
布隆姆贝根是非线性光学理论的奠基人。 他提出了一个能够描述液体、半导体和金 属等物质的许多非线性光学现象的一般理 论框架。他和他的学派在以下三个方面为 非线性光学奠定了理论基础：
滤光片
红宝石
694.3nm
石英晶体 347.15nm 底片
非线性光学这个新学科的出现！ppt课件源自8非线性光学的发展历史
非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期
1961～1965年：非线性光学效应大量而迅速地出现：
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。
I out 光学双稳态
ppt课件
21
非线性光学的发展历史
70年代中期发现利用四波混频可以实现相 位共轭，这是非线性光学中一个重要的发 现。
70年代初，光学克尔效应得到实验验证。
1976年，观察到由于折射率随光强变化产生的光学 双稳态效应，从而开始了无论在物理上还是在应用 上都是十分重要的非线性光学研究的一个分支：光 学双稳态的研究。
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