非线性光学概述
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。
第六讲-非线性_光学
第六章非线性光学§6-1 引言按照光的电磁波理论，光波是具有电场和磁场的一种电磁波，电场和磁场的时空变化规律由麦克斯韦方程组描述。
电场和磁场通过相互感应形成在真空中传播的电磁波，其传播速度为c＝光进入介质后，光波中的电场和磁场将引起介质的极化和磁化，发生光与介质的相互作用，如果将介质看作是电偶极子的集合，那么在光波电场的作用下，电偶极子将以光频振荡，并辐射出次波。
合成的次波形成介质中的光波，其速度.依赖于介质的折射率n。
在激光问世之前，光学介质被认为是线性的．即：(1)波速v，折射率n 及吸收系数与光频和传播方向有关，而与光强无关；(2)光波的叠加原理成立。
波的叠加原理指出，当介质中同时存在两个以上的光扰动时、各个光扰动的作用是独立的；(3)光通过线性光学介质后，光的频率不发生变化，改变的仅仅是光的波长。
自1960年激光问世以来，出现了高光强、高单色性的相干光。
激光在介质中传播时，将引起显著的非线性光学效应。
1961年，用694．3nm的激光聚焦在石英晶片上，使输出光中出现347．15nm的二倍频光．从此开创了非线性光学时代。
在所谓非线性光学介质中，介质的折射串n和吸收系数依赖于光强；波的叠加原理不再成立，光通过非线性介质后的频率可以发生变化；在非线性光学介质中，光波可以控制光，即某一光场可以与其它光场发生相互作用，也可以与自身发生作用。
为什么会发生这些非线性光学现象呢？按照介质的偶极子模型，如果引起极化的光场强度远小于原子的内电场强度，极化可看作是线性的，即成立。
然而当光场强度接近原子的内电场时，介质的极化强度应由光场的泰勒级数展开式表示，即对于各向同性介质，上式具有标量形式：上两式中的第一项是线性极化项，描述线性光学现象；其他项是非线性极化项，描述非线性光学现象。
它们是描述非线性光学介质的基本方程。
对介质方程的说明：(1)如果将极化强度P看作是介质对光场E的响应函数，那么以上两方程是描述介质对光场瞬态响应的关系式，即t时刻的光场E(t)引起t时刻的极化P(t)。
非线性光学
非线性光学论文非线性光学综述：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，介质的极化强度正比于光波的电场强度E，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。
发展过程历史：非线性光学的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效应的发现和1929年克尔效应的现像。
但是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。
激光的出现为人们提供了强度高和相干性好的光束。
而这样的光束正是发现各种非线性光学效应所必需的(一般来说，功率密度要大于1010W/cm2（但对不同介质和不同效应有着巨大差异）。
1958年，Schawlow和Townes指出激光可以在红外和可见光频段实现在这篇文章发表之后，很多实验室立即开始竞争，去实现这一理想．1960年5月，Maiman首先发现了红宝石激光器激光的发明，引导出很多新的学科，对我们今天的科学技术以及日常生活都产生了重大影响．其中最重要的学科之一就是非线性光学，它对半个世纪以来科技的发展起了十分重要的作用．激光的光场或电场可以很强．早年，微波和射频方面的研究已经证明，当电场很大的时候，会产生非线性现象．这是因为电场与物质相互作用时，如果电场很小，表达式中的非线性项可以忽略，产生的偶极子实际上与电场成正比（即线性效应），而当电场很大时，非线性项不能再被忽略，因而可以产生二次倍频、混频等现象，这在微波和射频的实验中得到证实．我们可以预测，当光电场达到近１ｋＶ／ｃｍ时，在光波波段也会产生类似的非线性现象。
物理学中的非线性光学和光纤光学
物理学中的非线性光学和光纤光学光学是物理学的一个重要分支，研究光的各种现象和性质，其中非线性光学和光纤光学是光学中的两个重要研究领域。
一、非线性光学非线性光学是研究光在介质中传播时，受到非线性效应影响而发生的物理现象。
在传统的线性光学中，光的传播受到介质的折射率的影响，而非线性光学中，光的传播还受到介质中的非线性响应的影响。
非线性响应是介质对于强度较高的电磁波的响应，强度较低的光束对于介质的响应可以被视为线性响应，而强度较高的光束则会引起非线性响应。
非线性响应可以分为电离、折射率、吸收、色散等方面的非线性效应。
非线性光学的研究内容包括非线性介质、非线性相位、非线性波浪等方面。
其中最常见的非线性效应是Kerr非线性效应，它是由于介质的折射率随着光强度的变化而变化引起的。
此外，还有双折射非线性效应、非线性吸收效应等。
非线性光学对于工程应用有着广泛的应用，特别是在激光器技术、光通信技术等方面，非线性光学发挥着不可替代的作用。
二、光纤光学光纤光学是研究光在光纤中的传输和控制的一个重要分支，许多现代通信技术中都涉及到了光纤光学的研究。
光纤是一种以玻璃或者高分子材料为主要材料的、具有高折射率的材料。
光可以通过光纤中的气-固界面发生全反射，在光纤中进行传输。
光纤光学研究的重点主要包括光纤传输、光波导、分布式反馈激光器等方面。
其中，分布式反馈激光器是光纤光学中的重要技术之一。
分布式反馈激光器是一种基于光纤光学原理制造的光源，具有高功率、窄带宽、单模输出等优点。
它广泛应用于光通信领域、精密测量、光谱学、制造业等领域。
总的来说，非线性光学和光纤光学都是光学中非常重要的研究领域。
伴随着科技的不断进步和发展，非线性光学和光纤光学将会有着更广泛的应用和更加深入的研究。
光学中的非线性光学
光学中的非线性光学在镜头中，我们常常听到非线性光学这个术语。
它是光学领域中的一个重要分支，涉及到光与物质相互作用时产生的非线性效应。
本文将详细介绍光学中的非线性光学，并讨论其在科学研究和技术应用中的重要性。
一、非线性光学的基本概念非线性光学是指在光与物质相互作用时，光的电磁特性不在遵循线性超定理的现象。
通常情况下，光学中的光与介质的相互作用是线性的，即光的传播方式符合麦克斯韦方程组所描述的线性传播规律。
然而，当光的强度足够强时，光与介质的相互作用就会变得非线性，这时光的传播不再符合线性传播关系。
二、非线性光学效应非线性光学效应主要包括自聚焦效应、自相位调制效应、和非线性吸收效应三个方面。
自聚焦效应是指在介质中，光强足够高时将会自聚焦且形成孤子束，这一现象在激光技术和光通信系统中极为重要。
自相位调制效应是指光束在传播过程中，其相位会随着强度的变化而发生改变，造成光脉冲的相位调制，这个效应在光学通信中有重要的应用价值。
非线性吸收效应是指介质与光的相互作用会导致光的吸收增加，这一效应在传感器和激光材料的应用中有重要的作用。
三、非线性光学的应用非线性光学在科学研究和技术应用中有着广泛的应用。
首先，在光学通信领域，非线性光学效应使得光纤通信能够实现高速、大容量的数据传输，提高了现代通信的速度和质量。
其次，在激光技术方面，非线性光学可以用来实现超快激光脉冲产生，提高激光器的输出效率和功率。
此外，在光传感器的设计中，非线性光学效应也可以用来提高传感器的灵敏度和响应速度。
四、非线性光学的研究进展随着科学技术的发展，对于非线性光学的研究也在不断深入。
新材料的发现和设计使得我们能够更好地利用非线性光学效应，如铌酸锂晶体、有机聚合物和纳米材料等。
同时，新的非线性光学技术也在不断涌现，如超快光学技术、光学相位共轭技术等。
这些进展为非线性光学的应用提供了更广阔的发展空间。
五、结语非线性光学作为光学领域的重要分支，在科学研究和技术应用中发挥着重要的作用。
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。
非线性光学
非线性光学非线性光学是现代光学的重要分支，研究强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. 非线性光学的起源可以追溯到1906年的泡克尔斯效应和1929年克尔效应的发现，但是非线性光学成为今天这样一门重要科学，应该说是从激光发现以后才开始的.非线性光学的发展大体可划分为三个阶段：20世纪60年代初为第一阶段，这一阶段大量非线性光学效应被发现，如光学谐波、光学和频与差频、光学参量振荡与放大、多光子吸收、光学自聚焦以及受激光散射等都是这个时期发现的；第二阶段为60年代后期，这一阶段一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应，另一方面则主要致力于对已发现的效应进行更深入的了解，以及发展非线性光学器件；第三阶段是70年代至今，这一阶段非线性光学日趋成熟，已有的研究成果被应用到各个技术领域和渗透到其他有关学科（如凝聚态物理、无线电物理、声学、有机化学和生物物理学）的研究中.非线性光学的研究在激光技术、光纤通信、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.一、 光场与介质相互作用的基本理论1．介质的非线性电极化理论很多典型的光学效应均可采用介质在光场作用下的电极化理论来解释.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，从而引起光场感应的电偶极矩，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，它被定义为介质单位体积内感应电偶极矩的矢量和：V p P ii V ∆=∑→∆ lim 0 （1）式中i P是第i 个原子或分子的电偶极矩. 在弱光场的作用下电极化强度P 与入射光矢量E 成简单的线性关系，满足E P 10χε= （2）式中0ε称为真空介电常数，1χ是介质的线性电极化率. 根据这一假设，可以解释介质对入射光波的反射、折射、散射及色散等现象，并可得到单一频率的光入射到不同介质中，其频率不发生变化以及光的独立传播原理等为普通光学实验所证实的结论.然而在激光出现后不到一年时间（1961年），弗兰肯（P.A.Franken ）等人利用红宝石激光器输出694.3nm 的强激光束聚焦到石英晶片（也可用染料盒代替）上，在石英的输出光束中发现了另一束波长为347.2nm 的倍频光，这一现象是普通光学中的线性关系所不能解释的.为此，必须假设介质的电极化强度P 与入射光矢量E 成更一般的非线性关系，即)(3210 +++=E E E E E E P χχχε （3）式中1χ、2χ、3χ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1χ、2χ、3χ…依次减弱，相邻电极化率的数量级之比近似为11E n n ≈-χχ （4） 其中0E 为原子内的平均电场强度的大小（其数量级约为1011V/m 左右）. 可见，在普通弱光入射情况下，0E E <<，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. 而用单色强激光入射，光场强度E 的数量级可与0E 相比或者接近，因此二阶或三阶电极化强度的贡献不可忽略，这就是许多非线性光学现象的物理根源.2．光与介质非线性作用的波动方程光与介质相互作用的问题在经典理论中可以通过麦克斯韦方程组推导出波动方程求解.对于非磁性绝缘透明光学介质而言，麦克斯韦方程组为tD H ∂∂=⨯∇ （5） tH E ∂∂-=⨯∇ 0μ （6） 0=∙∇B（7） 0=∙∇D （8）式（5）和（8）中的电位移矢量D 为P E D+=0ε，代入式（5）有 tP t E H ∂∂+∂∂=⨯∇ 0ε 两端对时间求导，有 22220tP t E t H ∂∂+∂∂=∂∂⨯∇ ε （9） 对式（6）两端求旋度，有 tH E ∂∂⨯∇-=⨯∇⨯∇ 0)(μ 将矢量公式E E E E 2)()()(-∇=∇∙∇-∙∇∇=⨯∇⨯∇ 代入式（9）有22022002tP t E E ∂∂+∂∂=∇ μεμ （10） 上式表明：当介质的电极化强度P 随时间变化且022≠∂∂tP 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由方程（10）决定. 3．非线性光学的量子理论解释采用量子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.该理论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，这些变化除了光子的吸收或发射，更多的涉及到两个或两个以上光子状态的改变（如多光子吸收与发射、光散射等），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；但此时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，则按照著名的不确定关系原理，粒子在中间状态（虚能级）上停留的时间将趋于无穷短.利用中间状态的概念和虚能级的表示方法，可以给出大部分有关非线性光学效应的物理图像.二、 非线性光学效应1．光学变频效应光学变频效应包括由介质的二阶非线性电极化所引起的光学倍频、光学和频与差频效应以及光学参量放大与振荡效应，还包括由介质的三阶非线性电极化所引起的四波混频效应.需要注意的是，二阶非线性效应只能发生于不具有对称中心的各向异性的介质，而三阶非线性效应则没有该限制.这是因为对于具有对称中心结构的介质，当入射光场E 相对于对称中心反向时，介质的电极化强度P 也应相应地反向，这时两者之间只可能成奇函数关系，即)(553310 +++=E E E P χχχε，二阶非线性项不存在.1.1 光学倍频效应光的倍频效应又称二次谐波，是指由于光与非线性介质（一般是晶体）相互作用，使频率为ω的基频光转变为ω2的倍频光的现象。
非线性光学
非线性光学非线性光学是现代光学的另一个重要分支，它是研究强光的光学规律的一门学科，与新材料、新技术有密切的联系。
强光下的极化大家知道，电场能引起电介质的极化，极化后的电介质分子都具有一定的电偶极矩P i ，它们沿电场E 有倾向性的排列，介质中单位体积的总分子电矩不为零。
定义P P Vv i =→∑lim∆∆0称P 为极化强度。
实验表明，在弱场情况下P xE =ε0 (4.1) 在强场情况下，P 不仅与E 的1次项有关，而且与E 的2次，3次…等高次项有关。
一般地++''+=E E E x E E x E x P )3()2()1((4.2)或者写成分量形式 ∑∑∑+++=jkj lk j l k j ijkl k j ijk j ijki E E E x E E x E xP ,,, (4.3)（4.3）式在特殊情况下有较简单的形式 +++=3)3(2)2()1(E x E x E x P(4.4)设E E t =0sin ω，代入（4.4）式，则有P x E t x E t x E t x E t x E t x E t t x E x E x E t x E t x E t =+++=+-+-+=++--+()()()()()()()()()()()sin sin sin sin (cos )(sin sin )()sin cos sin 10202230331020230320210303202303121214331234122143ωωωωωωωωωω =++++P P P P 0123 (4.5)其中 P x E 020212=() 称为直流项；P x E x E t 11030334=+⎛⎝ ⎫⎭⎪()()sin ω 称为基波项；P x E t 2202122=-()cos ω 称为二次谐波项；P x E t 3303143=-()sin ω 称为三次谐波项；…（4.5）式中，除P 1中的x E t ()sin 10ω外，其余都是由P 与E 的非线性关系引起的非线性项。
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
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非线性光学课件
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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
非线性光学领域的研究及应用
非线性光学领域的研究及应用随着科学技术的不断发展，光学领域也在不断推进。
其中，非线性光学领域是一个日益重要的研究领域，它探究了光与物质相互作用时的非线性效应和非线性光学现象。
本文将探讨非线性光学领域的研究和应用。
1. 非线性光学的基本概念在讲述非线性光学的研究和应用之前，我们需要了解一些基本概念。
光的非线性效应是指，当光作用于物质时，物质不再像线性光学中那样以与光线性相同的方式响应，而是会以一定程度的非线性方式来响应。
通俗点说，就是光与物质之间的相互作用不是单纯的线性关系。
非线性光学现象主要包括二次谐波产生、倍频、混频、光学脉冲扩宽、自相互作用等。
其中，二次谐波产生指的是当一束强光照射到非线性介质时，介质中会形成一个二次谐波波长为原来光的一半的新光。
而倍频、混频则是指通过将两个不同频率的光线进行相互作用，从而得到一个新的频率。
2. 非线性光学的研究随着非线性光学的发展，科学家们逐渐认识到了光的强度不再是唯一影响光学特性的因素。
相反，光的频率、相位、群速度等因素都会影响光学现象。
在非线性光学研究中，最早应用的是二次谐波产生的技术。
这项技术应用广泛，可以应用于生物学、化学、环境等多个领域。
二次谐波产生技术还被应用于激光输出控制以及频率倍增。
现代非线性光学研究依靠超快光学和精密光学工具，这些工具可用于非线性相位和光学自相互作用等研究。
随着技术的进步，非线性光学研究领域的前景也变得越来越广阔。
3. 非线性光学的应用非线性光学的应用领域非常广泛，下面我们列举几个经典应用。
（1）激光技术激光技术是非线性光学领域应用的非常重要的一个方面。
通过激光技术，科学家们可以实现样品的光子源，对单个分子的运动进行测量，进而研究分子振动、分子内的转换和电子输运等问题。
（2）超快光学成像超快光学成像是在非线性光学研究领域中应用最为广泛的技术之一。
激光脉冲的快速捕捉提供了一种成像方式。
该技术可用于研究分子的电子云、固体中的光学缺陷等。
第五章 非线性光学
对于P , E均为矢量的情况有：
(2) (2) P 0 : EE
其中：
E E1 (1 ) E2 (2 )
则有：
1 P E x x 1 2 P Py 0 ijk E y Ex 1 P E z z
16
经典力学方法
介电晶体的光极化绝大部分由于外围弱束缚价电子受到光 频电场作用发生位移造成。设价电子密度为N，价电子偏 离平衡位置的距离为x，则极化强度表示为
P Nex(t )
电子发生位移x，相应的位能为
1 1 2 2 m0 x mDx 3 2 3 2 , D 其中m为电子质量， 0 为比例常数，且 0 D U ( x)
Ey
2
Ez
2
1 xxx xxy xxz xyx xyy xyz xzx xzy xzz E x 1 2 2 2 0 yxx yxy yxz yyx yyy yyz yzx yzy yzz E y E x E y E z zxx zxy zxz zyx zyy zyz zzx zzy zzz E 1z
其中：
r 1
n r 1
折射率与光强无关。
由
D E 0 E P
并设
J 0
则麦氏方程第三式变为： D E P H J 0 t t t 2 则得时谐方程： E 2 E 0
2
线性极化率和线性光学
光与物质相互作用：介质极化使其中的原子（分子、离子 ）成为电偶极子，并随时间作周期振动，且受迫振动的频 率与光波场的频率相同。偶极子的振动形成电磁波辐射， 即形成次波发射。 次波频率和入射光波频率相同，大量受迫振动的偶极子发 射的次波相互叠加，彼此干涉，形成宏观光与物质相互作 用规律。 极化理论： P 0 E 极化系数
8-05 非线性光学简介
阶
张
量
三阶非线性效应 三次谐波 双光子吸收 四波混频 受激散射 自聚焦、光孤子
量
第八章：光的量子性 激光 § 5 非线性简介
5.3 光学非线性现象 倍频&光整流
光整流：介质中 出现静电场
倍频（二次谐波）
第八章：光的量子性 激光 § 5 非线性简介
5.3 光学非线性现象 混频
第八章：光的量子性 激光 § 5 非线性简介
ne (2 ) no ( )
记为： 正单轴晶体：
oo e
no ne
基频光e偏振，倍频光o偏振：
no (2 ) ne ( )
记为：
ee o
第II类相位匹配法： 负单轴晶体： no ne 基频光o偏振和e偏振，倍频光e偏振：
1 ne (2 ) no ( ) ne ( ) 2
E
E
r
p
第八章：光的量子性 激光 § 5 非线性简介
5.2 光学非线性的起因 但强扰动（激光）下，非线性效应会表现出来：
三阶张
二
1 (2 ) (3) (2) (1) Eatom
Eatom：原子内场强~108V/cm 多光子吸收 光学双稳态 饱和吸收
二阶非线性效应 电光效应 倍频（二次谐波） 混频 光参量放大与振荡 光整流
长L介质端面输出场强：
k3
2
3
3 n3
c
相应的光强： 对于倍频的情况： 1 2
3 21
k 0
kL sin 2 1 kL 2
2
相位匹配：
k 0
物理意义：倍频光相干迭加
对于倍频的情况：
非线非线性光学原理与进展钱世雄
聚合物材料
聚合物材料的非线性光学性质主要来源于其分子链的极化率差异，这种差异使得 聚合物在受到外部光场作用时能够产生非线性效应。常见的聚合物材料包括 PMMA、PS、PC等。
聚合物材料的优点在于其制备简单，成本低廉，易于加工成各种形状和尺寸的非 线性光学器件。此外，聚合物材料还具有良好的柔韧性和透明度。然而，聚合物 材料的缺点在于其非线性光学系数较小，且对外部光场的作用较为敏感。
02 非线性光学的基本原理
二阶非线性光学效应
二次谐波产生
光学参量放大和振荡
当强激光通过非线性介质时，光波的 频率会变为原来的两倍，即产生二次 谐波。
利用非线性介质的特性，可以将一束 弱光放大为强光，或者产生一系列不 同频率的光。
光学混频
当两束频率不同的光同时通过非线性 介质时，会相互作用产生新的频率的 光。
非线性光学的应用领域
总结词
非线性光学在许多领域都有应用，如通信、传感、医疗、军事等。
详细描述
在通信领域，非线性光学可用于实现高速光信号处理和光子集成电路等；在传感领域，非线性光学可用于检测气 体、液体和固体中的物质；在医疗领域，非线性光学可用于光动力疗法和光学成像等；在军事领域，非线性光学 可用于激光武器和隐身技术等。
VS
详细描述
光学参量振荡器利用非线性晶体的参量放 大和振荡效应，将输入的激光转换为另一 频率的激光输出。它广泛应用于激光雷达 、光谱学、光学通信等领域。
光学混沌源
总结词
光学混沌源是一种利用非线性系统产生混沌 光场的非线性光学器件。
详细描述
光学混沌源利用非线性光学的混沌效应，产 生一种具有高度复杂性和不可预测性的光场。 这种光场具有宽阔的频率范围和随机变化的 特性，被广泛应用于光通信、光信息处理和 光计算等领域。
非线性光学与超快光学在光通信中的应用
非线性光学与超快光学在光通信中的应用第一章概述近年来，随着网络通信技术的不断发展，光通信作为其重要组成部分，也日益受到人们的关注。
非线性光学和超快光学技术作为光通信中的重要分支，已经在光通信中得到了广泛应用。
本文将从理论和应用两方面，介绍非线性光学和超快光学在光通信中的应用。
第二章非线性光学2.1 非线性光学概述非线性光学是指在高功率激光作用下，材料的光学特性发生非线性改变的现象。
非线性光学效应的产生源于光子与电子之间的相互作用，这种相互作用会引起非线性偏振、非线性吸收和非线性折射等非线性光学效应。
非线性光学的应用领域非常广泛，如超快光学、光存储和光通信等。
2.2 非线性光学在光通信中的应用（1）光纤增强拉曼散射放大器（FRA）光纤增强拉曼散射放大器（FRA）是利用非线性光学效应增强光纤中的拉曼散射信号的技术。
在FRA中，拉曼光子与激光光子之间发生非线性相互作用，使得激光光子能够增强并放大散射光子，从而提高光信号的传输距离和传输速率。
（2）光纤光学时钟光纤光学时钟是一种基于非线性光学效应的高精度光学时钟。
光纤中会发生非线性相互作用，将连续的光脉冲转化成离散的光子流，从而实现对光信号的精确定时处理。
（3）光纤参数振荡器（FPO）光纤参数振荡器（FPO）是一种基于非线性光学效应的光学器件。
在FPO中，光子与声子之间发生了非线性相互作用，从而产生了非线性倍频和非线性混频效应。
这种效应能够产生特定频率的光子，从而实现对光信号的精确处理和调制。
第三章超快光学3.1 超快光学概述超快光学技术是指利用超快激光脉冲探测和研究物质的特性和行为的技术。
超快光学领域主要涉及到超短激光、超快光子学、超快非线性光学等多个方向。
3.2 超快光学在光通信中的应用（1）光子晶体光纤光子晶体光纤是利用光子晶体的周期性结构产生的光传输效应的光学器件。
超快光学的相关技术在光子晶体光纤的制备和测试中发挥了至关重要的作用，在提高光信号传输速率和有效距离方面取得了显著的进展。
非线性光学现象的数值模拟分析
非线性光学现象的数值模拟分析一、非线性光学现象概述非线性光学现象是指在强光场的作用下，材料的光学性质发生非线性变化的现象。
这类现象在激光技术、光通信、光信息处理等领域具有重要的应用价值。
非线性光学现象的研究，不仅能够加深我们对光与物质相互作用的理解，而且对于开发新型光学器件和系统具有重要的指导意义。
1.1 非线性光学现象的基本概念非线性光学现象与线性光学现象的主要区别在于，非线性光学现象中光与物质的相互作用不再遵循线性叠加原理。
在非线性光学中，光场的强度、相位等参数会随着光与物质相互作用的进行而发生变化，从而产生新的频率分量或改变光的传播特性。
1.2 非线性光学现象的分类非线性光学现象可以按照不同的标准进行分类。
根据作用机制的不同，可以分为二阶非线性光学现象和三阶非线性光学现象。
根据产生的效应不同，又可以分为二次谐波生成、三次谐波生成、光学参量放大、光学克尔效应等。
二、非线性光学现象的数值模拟方法数值模拟是研究非线性光学现象的重要手段之一。
通过数值模拟，可以在不进行实际实验的情况下，预测和分析非线性光学现象的特性和规律。
2.1 数值模拟的基本原理数值模拟基于麦克斯韦方程组和物质的非线性光学响应方程。
通过数值求解这些方程，可以得到光在非线性介质中的传播特性和非线性效应的产生情况。
数值模拟通常采用有限差分法、有限元法等数值方法。
2.2 数值模拟的关键技术进行非线性光学现象的数值模拟，需要考虑以下几个关键技术问题：- 光场的初始化：需要合理设置初始光场的参数，如光强、波长、相位等，以模拟实际的实验条件。
- 材料参数的确定：需要根据实验材料的物理特性，确定非线性光学系数等参数。
- 边界条件和初始条件的设置：需要根据具体的物理模型和实验条件，合理设置边界条件和初始条件。
- 数值稳定性和精度的控制：需要选择合适的数值方法和参数，以保证模拟结果的稳定性和精度。
2.3 数值模拟的应用实例数值模拟可以应用于多种非线性光学现象的研究。
非线性光学
光学相位共轭, 光的受激散射, 光致透明, 多光子吸收...
各向同性介质 P 1E 2E2 3E3 1 --- 线性电极化率 2 --- 二次非线性电极化率 3 --- 三次非线性电极化率
非线性介质: 非线性极化系数比较大的介质 两类非线性光学现象:
§13-3 非线性光学
非线性光学: 强激光与物质相互作用
强光和弱光的划分: 比较 E与 E’ 的大小
E: 光场的强度
E’: 组成物质的分子或原子内部的平均电场强度
普通光源的光,
E E'
1
线性关系
强激光，E与 E’可比拟, 光场与物质作用的非线性关系明显.
如光学倍频和混频, 光学参量与振荡, 自聚焦,
(1) 强光与被动介质相互作用的非线性现象， 如光学整流，光学倍频与混频，光自聚焦等等。
(2) 强光与激活介质相互作用的非线性光学现象， 如受激拉曼散射和受激布里渊散射等。
一. 光学倍频和混频
1 光学倍频
设入射光波的电场为 E E0 cost
忽略介质的三次以上的非线性极化项，
P 1E0 cost 2E0 cos2 t
由此可得
r 1 e
2 E 3 E 2
0
0
相应地有 n n0 n2E02 n0 b
n0是与光强无关的常数， b n2 E02 为非线性折射率,
E0为入射光的振幅。
自聚焦和自散焦 自聚焦
和频(1+2)项
差频 (1-2)项
二. 自聚焦和自散焦
对各向同性介质
D 0E P 0 E 1E 2E 2 3E 3
非线性光学概述
光与介质相互作用，不改变介质的物理 光与介质相互作用，介质的物理量如极化率、
量的数值。这些物理量只是光频的函数， 吸收系数、折射率等是光场强度函数（非线
与光场强度变化无关。
性吸收和色散、光克尔效应、自聚焦等）。
光束通过光学系统，入射光强与透射光 强之间一般成线性关系。
光束通过光学系统，入射光强与透射光强之 间呈非线性关系，从而实现光开关（光限制、 光学双稳开关、各种干涉仪光开关等）。
别是二阶、三阶和四阶张量。左边第一项为线性极化项，第二项、第三项
等高阶项为二阶、三阶等高阶非线性极化项。以上极化强度包含线性和非
线性两部分：
P PL PNL
(1.1.3)
式中非线性极化强度可表为：
PNL P(1) P(2) ... P(n) ...
(1.1.4)
总之，非线性光学现象是与高阶极化有关的现象。
分支
激光物 理学
非线性 光学
傅立叶 光学
导波光 学
量子光 学
研究对象
激光器理论以及提高激光品 质的方法
激光与物质相互作用产生非 线性效应
傅立叶光学理论及光学信息 处理应用
光在光纤和平面波导中的传 播与控制
非经典光学现象与原子发光 量子理论
主要应用
各种工作物质和各种脉宽的激 光器系统设计；调Q、锁模、 放大、调制、调频、谱宽压缩、 偏振控制等技术
有人认为，20世纪下半页建立起来的非线性物理学，也是现代物理学的 一块基石。非线性物理是研究在物质间宏观强相互作用下普遍存在着的非线 性现象，也就是作用和响应之间的关系是非线性的现象。非线性物理现象包 含在物理学的各个领域，形成了非线性力学，非线性声学，非线性热学，非 线性电子学以及非线性光学等。非线性光学是非线性物理学的一个分支，它 是描述强光与物质发生相互作用的规律。非线性光学在激光发明之后迅速发 展起来，它所揭示的大量新现象极大地丰富了非线性物理学的内容。
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1.1 非线性光学的意义及地位
1.1.1 非线性光学是非线性物理学的分支学科
众所周知,现代物理学是建立在20世纪初形成的两大基石之上,那就是量子 物理学和相对论物理学。量子物理学是研究分子、原子、核子、基本粒子等 微观世界规律的理论；相对论物理学是研究接近光速的高速运动规律与大质 量物体的引力相互作用规律的理论。光学在建立量子论和相对论的过程中曾 起着重要的作用：量子论建立在光的粒子性的基础上；相对论建立在光速不 变的基础上。
光与介质相互作用，不改变介质的物理 光与介质相互作用，介质的物理量如极化率、
量的数值。这些物理量只是光频的函数， 吸收系数、折射率等是光场强度函数（非线
与光场强度变化无关。
性吸收和色散、光克尔效应、自聚焦等）。
光束通过光学系统，入射光强与透射光 强之间一般成线性关系。
光束通过光学系统，入射光强与透射光强之 间呈非线性关系，从而实现光开关（光限制、 光学双稳开关、各种干涉仪光开关等）。
别是二阶、三阶和四阶张量。左边第一项为线性极化项，第二项、第三项
等高阶项为二阶、三阶等高阶非线性极化项。以上极化强度包含线性和非
线性两部分：
P PL PNL
(1.1.3)
式中非线性极化强度可表为：
PNL P(1) P(2) ... P(n) ...
(1.1.4)
总之，非线性光学现象是与高阶极化有关的现象。
倍频
四波混频
图1 .1.1被动非线性光学效应
2. 主动非线性光学效应
主动非线性光学效应的特点是：光与介质间会发生能量饱和吸收、反饱和吸收、双 光子吸收等；非线性折射——光克尔效应、自聚焦与自散焦、折射率饱和 与反饱和等；非线性散射——受激拉曼散射、受激布里渊散射等，光学双 稳性、光限制等。图1.1.2以饱和吸收、光克尔效应与自聚焦为例说明被 动非线性光学效应。
( E 2)
n n0 n( E 2 )
饱和吸收
光克尔效应与自聚焦
1.1.2主动非线性光学效应
表1.1.3非线性光学材料及其非线性机制
非线性光学材料
非线性机制
半导体材料
电子机制、激子机制
有机、高分子材料
电子、分子极化与分子取向
电光晶体
外电光效应
光折变材料
内电光效应
液晶材料
分子取向
团簇材料（C60等） 纳米复合材料
2.非线性光学发展成熟阶段
1970年-1985年，实现半导体量子阱、超晶格，发展半导体非线性光学； 1975年-1984年，实验发现光学双稳态和光学混沌，推动光计算研究； 1984年-1987年，研究光纤中的非线性光学，实现光孤子激光器； 1984年，沈元壤出版“The Principles of Nonlinear Optics”一书。
3.非线性光学初步应用阶段 1985年-1987年 发现新型非线性光学晶体BBO和LBO，推动ps和fs瞬态光学； 1987年，开始研究有机材料激发态非线性光学，推动光限制器研究; 1987年，光子晶体的提出，推动了非线性光子晶体理论与器件的研究； 1989年，掺铒光纤放大器的发明，推动了光纤通信的发展； 1995年，研究手性分子材料非线性光学；推动生物光学的发展； 90年代初，光孤子通信实验成功，推动孤子通信发展； 90年代中，DWDM光通信技术的发展，对波长转换器、光开关、拉曼放大器等 非线性光学器件提出需求； 90年代末，完成远程量子信息传输实验，促进量子通信技术发展。通信技术发 展。
得者N.Bloembergen 1965年出版了“Nonlinear Optical Phenomena”一书。
1965-1985年是非线性光学的发展成熟阶段。为总结这个阶段的研究成果，
1984年非线性光学权威专家Y. R. Shen出版了“The Principles of Nonlinear
Optics”一书。1985-2000年是非线性光学的初步应用阶段。至今为止非线
多光束在介质中交叉传播，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）
按照激光与介质的相互作用，可以把非线性光学效应分为以下两类：
1.被动非线性光学效应
被动非线性光学效应的特点是：光与介质间无能量交换；而不同频率 的光波间能够发生能量交换。例如：倍频，三波混频，参量过程，四波 混频，相位共轭 图1.1.1以倍频与四波混频为例说明被动非线性光学效 应。
虚部与吸收系数成正比，
(3) "(E2 ) (E2 )
(1.1.9)
可见对三阶非线性效应，极化率、折射率和吸收系数都是光强的函数。
1.2 非线性光学的发展
1.2.1 非线性光学的发展简史
非线性光学的研究从1960年发明激光开始，1961-1965年经历了初期创
立阶段。为总结这个阶段的成果，非线性光学的创始人诺贝尔物理学奖获
1.1.5 非线性光学现象是介质的参量与光强有关的现象
对于各向同性介质，可将式(1.1.2)改写为标量形式：
P 0 (1) E 0 (2) EE 0 (3) EEE 0 ( (1) (2) E E (3) 2 )E 0(E)E
式中
(E) (1) (2) E (3) E2 (1) (2）(E) (3) (E2 )
分支
激光物 理学
非线性 光学
傅立叶 光学
导波光 学
量子光 学
研究对象
激光器理论以及提高激光品 质的方法
激光与物质相互作用产生非 线性效应
傅立叶光学理论及光学信息 处理应用
光在光纤和平面波导中的传 播与控制
非经典光学现象与原子发光 量子理论
主要应用
各种工作物质和各种脉宽的激 光器系统设计；调Q、锁模、 放大、调制、调频、谱宽压缩、 偏振控制等技术
非线性光学材料研究的发展趋势是：从晶体材料到非晶体材料；从无机 材料到有机材料；从对称材料到非对称材料（手性材料）；从单一材料到 复合材料；从高维材料到低维材料，如从三维的体块材料到二维的表面、 薄膜材料；从宏观材料到纳米材料，如半导体量子线和量子点、光子晶体 、以及纳米管、纳米球和团簇材料等。
1.3 非线性光学的应用
脉宽压缩；频率转换；全光开 关；消畸变传输；光孤子通信； 数字光计算；激光光谱，非线 性光存储等
全息照相，全息商标，全息存 储；光学图像处理：特征识别、 边沿增强等；模拟光学计算， 信息安全技术等
光纤与平面光波导的制备；有 源与无源波导器件；光束与波 导、波导与波导间的耦合；色 散、损耗、偏振控制
利用压缩态抑制光通信噪声； 利用量子纠缠态实现量子密码 保密通信；量子信息处理，量 子计算，量子存储等
1.3.1 非线性光学是光子学与纳米光子学的基础
图1.3.1 给出了光子学与电子学发展过程的对比，发现二者有惊人的相 似性。物理学的两个挛生的分支学科－电学和光学几乎都是在十八世纪诞生。 电学的应用，产生了电工学；光学的应用，产生了工程光学。从1906年发明 电子管开始形成电子学。当时的电子管是真空电子管，因此叫“真空管电子 学”，40年后（1948年）发明了半导体晶体管，而产生了“固体电子学”。 自从1960年微米数量级的半导体集成电路的发明，导致“微电子学”与“微 电子技术”的产生。而“现代光学”是从上世纪60年代初（1960年）发明激 光器开始，从“传统光学”脱胎而出。气体、固体、染料激光器的广泛应用 形成了“激光技术”， 10年以后，微米尺寸的室温运转异质结半导体激光器、 低损耗光纤和集成光学技术的诞生，使现代光学发展进入“光子学”阶段。 光子学是微米尺度的现代光学，它是研究光子的产生、传播、控制和探测的 科学。光子学的地位与微电子学相当。而光子技术就是微米尺度的激光技术。
P 0χ E
(1.1.1)
式中 0为真空介电系数； 为线性极化率，对各向异性介质它是复数张
量。
若入射光是激光，光强比普通光高几个数量级，极化强度展开为光场的
幂级数，要考虑高幂次项的作用：
P 0 χ (1) E 0 χ (2) : EE 0 χ (3) EEE
(1.1.2)
式中 χ (1) 是线性极化率，χ (2) 和 χ (3) 是二阶和三阶非线性极化率。它们分
1.1.2 非线性光学是现代光学的分支学科
20世纪60年代初人类发现了激光，从此使古老的光学焕发了青春。我们 把基于自发辐射的普通光源的光学称为“传统光学”，而基于受激辐射的 激光光源的光学称之为“现代光学”。20世纪下半页，现代光学发展极快 ，围绕激光的研究和应用迅速形成了几个分支学科，并且很快获得了广泛 的应用。 表1.1.1列出了几个较为成熟的现代光学分支学科的研究对象和 主要应用。其中非线性光学是现代光学的一个重要分支学科。它是研究各 种激光与各类物质相互作用所产生的各种非线性效应的学科。非线性光学 在激光的强度控制（全光开关、光限制）、脉冲压缩（调Q与锁模）、频 率转换（倍频、和频、四波混频）、激光光谱（超精细结构分析）、消畸 变传输（光学相位共轭）、光孤子通信、混沌通信、量子通信、数字光计 算、非线性光存储（光折变光存储、双光子光存储）等方面有重要的应用 。
性光学的理论已经比较成熟，但在光学与光子技术上的应用还不太成熟，
有待进一步研究发展。下面列出非线性光学的发展简史。
1.非线性光学初期创立阶段 1961年，Franken实验发现红宝石激光的倍频； 1962年-1964年，发现受激拉曼散射、激布里渊散射； 1962年-1965年，发现和频、差频、参量振荡、四波混频； 1963年-1965年，发现饱和吸收、反饱和吸收、双光子吸收； 1964年-1966年，发现自聚焦和自相位调制； 1965年，实验发现光学相位共轭； 1965年，N.Bloembergen出版“Nonlinear Optical Phenomena”一书。
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。