绪论+++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
非线性光学课件
1.1.2 非线性光学是现代光学的分支学科
“传统光学”——基于自发辐射 的普通光源的光学
“现代光学”——基于受激辐射 的激光光源的光学
1.1.3 非线性光学是研究激光与物质相互作用的学科
（物质响应现象）
导致
光
物质极化、磁化，产生感生电流等等
改变原来 的光场
物质对光的反作用
产生
使物质产生 电磁场辐射
• 主动非线性光学效应的特点是：光与介质间会发生能量交 换，介质的物理参量与光场强度有关。
1.1.4非线性光学现象是高阶极化现象
在线性光学范畴，采用极化强度P(r, t)来解释所观察到的介质 中的吸收、折射及色散等现象。
P(r,t)0(1)E(r,t)
式中， 是真空介电常数； ( 1 ) 是介质的线性极化率。 0
光与物质的相互作用原理
非线性光学(激光为光源)与线性光学(普通光为 光源)有本质的区别，两种情况下，在光与物质 相互作用或光波之间的相互作用中所表现的特 性不同。
1.非线性光学与线性光学的主要区别
2.被动非线性光学与主动非线性光学
• 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。
+ E + :E E +
非线性光学效应的定义：
凡物质对于外加电磁场的响应，并不是外加电磁场振幅的 线性函数的光学现象，均属于非线性光学效应的范畴。
—————Bloembergen
Bloembergen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： –物质对光波场的非线性响应及其描述方法； –光波之间以及光波与物质之间相互作用的理论； –光通过界面时的非线性反射和折射的理论。
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。
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
非线性光学第一章
2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990）
发现新的非线性光学效应：四波混频、光克尔
展开各种非线性光学效应的应用研究：
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
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
非线性科学（量子力学、相对论）
线性和非线性 (数学和物理上) 非线性科学，目前有六个主要研究领域，即： 混沌 (Chaos) 孤子波（Soliton） 分形（Fractal） 模式形成（Pattern formation） 元胞自动机（Cellular automata） 复杂系统 (Complex system)
Stanford University Stanford, CA, USA
Collège de France; École Normale Supérieure Paris, France
National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA
4）非线性光学研究的未来发展趋势
非线性 光学规 律研究 的发展
趋势
研究对象从稳态过程转向动态；所用光源从连续、宽脉 冲转向纳秒、皮秒、飞秒甚至阿秒超短脉冲；从强光非 线性研究到弱光非线性研究；从基态－激发态跃迁非线 性光学研究转向激发态－更高激发态跃迁非线性光学研 究；从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象； 从二能级模型研究转向多能级模型；研究物质的尺度从 宏观尺度（衍射光学），到介观（纳米）尺度（近场光 学），再到微观尺度（量子光学）。
非线性光学现象及其应用
非线性光学现象及其应用光学是研究光的传播、产生、探测和应用的科学，而非线性光学则是光学中的一个重要分支领域。
非线性光学现象是指在光场与物质相互作用时，光的传播特性不再遵循线性叠加原理，而呈现出非线性效应的现象。
非线性光学现象的研究不仅深化了人们对光与物质相互作用的理解，还为光学技术的发展提供了新的思路和方法。
本文将介绍非线性光学现象的基本原理、常见现象及其在实际应用中的重要意义。
一、非线性光学现象的基本原理在介绍非线性光学现象之前，首先需要了解光的线性性质和非线性性质。
在光学中，线性性质是指光的传播过程中，光的强度与光场本身成正比，遵循叠加原理；而非线性性质则是指光的传播过程中，光的强度与光场本身的平方、立方或更高次幂成正比，不再满足叠加原理。
非线性光学现象的产生主要是由于光与物质相互作用时，光场的强度较大，使得物质的极化率与光场的强度不再成线性关系。
在非线性光学中，最常见的非线性效应包括自聚焦效应、自相位调制效应、光学倍频效应、光学混频效应等。
这些非线性效应的产生，使得光在传播过程中呈现出许多奇特的现象，丰富了光学的研究内容，也为光学技术的发展带来了新的机遇。
二、非线性光学现象的常见现象1. 自聚焦效应自聚焦效应是指在介质中传播的光束由于非线性效应而使得光束自身聚焦的现象。
当光束传播过程中光强较大时，光场会对介质的折射率产生影响，使得光束逐渐聚焦。
自聚焦效应不仅可以改变光束的传播特性，还可以应用于激光聚焦、激光切割等领域。
2. 自相位调制效应自相位调制效应是指光束在介质中传播时，由于介质的非线性极化效应而导致光场相位的调制现象。
这种效应可以用来实现光的调制、相位调制和波长调制，广泛应用于光通信、光信息处理等领域。
3. 光学倍频效应光学倍频效应是指当光束通过非线性介质时，由于介质的非线性极化效应而导致光的频率加倍的现象。
这种效应可以实现光的频率转换，将原始光的频率倍增，广泛应用于激光器、光谱分析等领域。
非线性光学 第一章
( 2) ( 2) P (t ) d1 d 2 0 (1 , 2 ) : E (1 ) E ( 2 )e i (1 2 )t
( n) ( n) dP(t ) 0 R (t 1 ,..., t n ) | E( 1 )...E ( n )d 1...d n
( 2) (n) P (t ) d 1... d n 0 R (t 1 ,..., t n ) | E ( 1 )...E ( n )
第二章 极化率理论
§1 介质对光场的非线性响应
§2 非线性极化率的经典描述
§3 非线性极化率的量子力学描述
§4 双费曼图法
§5 共振增强的极化率
§6 局域场对极化率的修正
§1
介质对光场的非线性响应
一、电场强度和极化强度的表示方法：
E (r , t ) E0 (r ) cos(t )
虚部对应介质的吸收。
( n 1) P E (n) E原子 P
( n) : n 1 阶张量，张量元一般为复数，实部对应介质的折射率，
E原子 是介质中的原子内场，典型值为 3 1010 V / m
二、学科特点
1、非线性光学（强光光学）与线性光学（弱光光学）的区别：
( 3) ( 3) P (t ) d1 d2 d3 0 (1 , 2 , 3 ) E (1 ) E (2 ) E (3 )e i (1 2 3 )t
入射光场具有分立的频率情况下：
(1) (1) P (t ) 0 (n ) E (n )e int n ( 2) ( 2) P (t ) 0 ( m , n ) : E ( m ) E ( n )e i (
非线性光学——绪论
史保森 中科院量子信息重点实验室，光学与光 学工程系 Tel：63600641 E-mail:drshi@
非线性光学的定义
Bloembergen的定义 凡物质对于外加电磁场的响应并不是外加
电磁场振幅的线性函数的光学现象，均属于非
线性光学效应的范畴。
线性光学的基本特征
原子内场
普通光源
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Eat ~ 3108 V cm
E~6V/m
非线性产生的微观机理
1. 电子的贡献 2. 分子的转动与振动 3. 分子的重新取向 4.电致伸缩效应 5. 温度效应
非线性光学研究的意义
1. 开拓新的光源 2. 信息传输 3. 解决激光传输中的光束质量下降、损耗等问题
4. 促进与其它学科的合作发展
1. 光的传输遵循独立传播定理
2. 光的传播方向、空间分布在传播过程中可以发生变 化，但光的频率不发生变化。
3. 介质的主要光学参数，如折射率等只是入射光频
率与偏振方向的函数，与入射光的强度无关。
非线性光学的基本特征
1. 光的独立传播定理不再成立。
2. 光在传播过程中频率可能发生变化，产生新的频率 成分。 3. 介质的折射率与入射光的强度有关。
线性光学成立的条件
1. 入射光较弱
2. 介质的非线性系数较小
非线性光学学科的诞生
1960年， Maiman研制成功第一台红宝石激光器 1961年，Franken利用石英片倍频红宝石激光，获 得二次谐波。
介质对光场的响应：
P PL PNL
相邻两项之间的强弱之比为:
P n 1 E n ~ P Eat
4. R.W. Boyd, 《Nonlinear Optics》
非线性光学物理的研究及其应用
非线性光学物理的研究及其应用非线性光学物理是关于光学非线性现象和现象机制的研究领域，包括非线性光学过程、非线性光学效应和材料的非线性特性等。
该领域从20世纪初开始成为一个新兴的、自成体系的研究方向，已经发展成为一个重要的基础研究领域和应用研究领域。
一、非线性光学物理的基本概念与理论1. 非线性光学效应光学非线性是指在电磁场作用下，光的各种物理量，如振幅、相位、偏振等不遵循波动光学规律而受到影响的现象。
光学非线性效应是指光在介质中传播时，光的振幅和波形发生变化的现象。
这些效应的出现与介质的光学性质有关。
2. 非线性极化非线性极化是指由于电场的作用下，介质分子的部分电子云发生极化，而产生的非线性电极化强度与电场强度成正比的现象。
光学非线性效应的大小和非线性极化强度有关。
3. 光学非线性过程光学非线性过程是指在介质中，光与其它光学或非光学场相互作用下，光的振幅和波形受到影响的过程。
光学非线性过程主要包括光学倍频、光学混频、光学波导、自聚焦、自相位调制、受激拉曼散射和自发受激辐射等。
二、非线性光学物理的研究方法和技术1. 超快激光超快激光是指时间尺度在皮秒甚至亚皮秒级别的激光。
它是研究非线性光学现象和过程的重要手段。
超快激光通过对物质的激发和探测，在不同时间尺度上提供了有关物质的信息。
2. 非线性光谱技术非线性光谱技术是一种研究光学非线性现象和过程的重要手段，它是以光学谱学为基础，利用激光的单色性和短脉冲特性，对光在介质中传播过程中产生的非线性现象进行研究。
3. 相干控制技术相干控制技术是一种研究光学非线性现象和过程的前沿技术，它是利用超快激光控制光在介质中传播过程中产生的非线性效应，以实现对光学信号的调制和控制。
三、非线性光学物理的应用前景1. 生物医学领域非线性光学显微镜已成为生物医学领域中非常重要的研究工具，它使得我们能够观察和分析人体内部的分子结构和生物过程。
非线性光学成像技术还可以用于皮肤病的早期诊断和肿瘤的治疗等。
非线性光学及其在激光加工中的应用
非线性光学及其在激光加工中的应用第一章概述非线性光学是指光在非线性介质中传播时产生的非线性效应。
它的研究涉及到物理学、光学、化学等多个领域。
随着激光技术的发展，非线性光学在激光加工中的应用也日益广泛。
本文将介绍非线性光学的基本原理、常见的非线性效应以及在激光加工中的应用。
第二章非线性光学的基本原理非线性光学是相对于线性光学而言的。
在线性光学中，光的传播不受介质特性影响，光线的传播方向、偏振方向和频率等都不会发生改变。
而在非线性介质中，由于介质的折射率随光强度的变化而变化，光的传播就会产生非线性效应。
其基本原理可以由麦克斯韦方程组和介质中的波动方程描述。
第三章常见的非线性效应非线性光学中常见的效应包括以下几种。
3.1 Kerr效应Kerr效应是指介质的折射率随着光的强度而变化，折射率的变化与光的强度成平方关系。
这种效应是一种自聚焦效应，在强光作用下，光线的传播方向会向介质密度变化的方向聚焦。
3.2 自相位调制效应自相位调制效应是指介质的折射率与光的强度成正比，当光通过介质时，光的强度分布会改变，从而影响光的相位。
3.3 非线性折射效应非线性折射效应是指介质的折射率随着光的强度而变化，折射率的变化与光的强度成二次方关系，这种效应可以用于制造非线性光学元件。
3.4 非线性吸收效应非线性吸收效应是指在强光作用下，介质的透明度会降低，造成光的吸收增强，这种效应可用于激光器的Q开关。
第四章非线性光学在激光加工中的应用非线性光学在激光加工中的应用十分广泛，以下将介绍其中的几种应用。
4.1 激光加工中的自聚焦效应通过控制激光的功率和聚焦镜头的参数，可以实现激光的自聚焦效应，从而实现微米级精度的激光切割和雕刻。
4.2 激光加工中的相位调制效应相位调制效应可用于控制激光束的相位，从而实现微米级精度的激光加工。
例如，可以利用这种效应实现激光制造光栅。
4.3 激光加工中的非线性折射效应非线性折射效应可以用于制造光学元件。
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。
【大学物理必备】非线性光学
h
k2 (2 ) 。介质首先吸收两个光子，然后发射一个倍频
h
2h
光子（见图 4-3）。根据动量守恒定律，有
2k1( ) k2 (2 )
(4.7)
k
n
k 0
c
吸收双光子发射倍频光子
k0 是单位矢量，于是有
图 4-3
n1() n2 (2)
(4.8)
式（4.8）表明基频光的相速等于谐频光的相速。设晶体平行块的厚度为 l，当垂直入射的
x (1)
E0
sin t
1 2
x (2) E02 (1
cos 2t )
1 4
x
(3)
E
3 0
(3sin
t
sin
3t
)
(4.5)
1 2
x
(
2)
E
2 0
( x (1) E0
3 4
x (3) E03 ) sin t
1 2
x (2)
E02
cos 2t
1 4
x (3)
E03
sin 3t
P0 P1 P2 P3
非线性效应
一、光参量放大
光参量放大是一种和频与差频的非线性效应。将两种不同频率的光入射到晶体中，则
有
E E01 sin 1t E02 sin 2t
(4.12)
其中， 1 为弱信号光的频率， 2 为强高频光的频率。由于有非线性效应，故
P E012 sin2 1t E022 sin2 2t 2E01E02 sin 1t sin 2t
第四章 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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
研究对象：光与物质的相互作用 理论工具：电磁相互作用 实验基础：激光
非线性光学的早期10年(1961—1970)
1960年 Maiman 制造第一台红宝石激光器(Laser) 1961年，Franken 光学二次谐波SHG 红宝石激光 694.3nm -紫外光347.1nm （石英，不满足相位匹配条件，效率低) 实验结果揭开了非线性光学研究史的第一页。
主要参考书
1、石顺详、陈国夫、赵卫、刘继芳编著，《非线性光学》， 西安电子科技大学出版社，2003.3; 2005.3 2、钱士雄、王恭明编著，《非线性光学--原理与进展》， 复旦大学出版社，2001 3、沈元壤,《非线性光学的原理》,科学出版社,北京,1987。 Y．R．Shen, The Principles of Nonlinear Optics, John Wiley Sons,1984. 4、R.W.Boyd，Nonlinear optics， Academic Press, 2003 5、叶佩弦主编,《非线性光学物理》,北大出版社,2007.7 6、张克从、王希敏，《非线性光学晶体材料科学》， 科学出版社，1996
非线性光学的早期10年(1961—1970)
和频(SFG Sum-Frequency Generation) 差频(DFG Difference-Frequency Generation) 光学参量振(OPO Optical Parameter Oscillation) 将可见激光转换至红外波段 利用晶体材料的双折射效应以补偿折射率的色散， 在许多晶体中，如KDP，ADP，LiNbO3及LiIO3，实现 了有效的相位匹配,得到高转换效率的相干辐射。
绪 论 非线性光学进展 研究全面深入的20年(1971—1990)
非线性光学材料
1960年代时，非线性光学晶体 KDP，ADP，LiNbO3 等， 在SHG，SFG 及OPO 器件上得到了广泛的应用。 在损伤阈值、短波吸收及稳定性方面有相当的局限 性。1970s以来，有机非线性晶体材料方面制得了尿素 晶体。 KTP ( KTiPO4 )的发现，为无机非线性晶体材料增添了 有大的非线性光学系数、高损伤阈值的材料。 1970s以来, 中国科学院福建物构所陈创天等人 提出了非线性极化率的离子基团模型，并应用于硼体 系无机晶体，在1980s成功地推出了β-BaB2O4 (BBO)及 LiB3O5 (LBO)两种性能优越的晶体。短波吸收限比KDP 和ADP更短，具有大的非线性光学系数，对新型激光器 件的研制起了极大的推动作用。
SHG (Second-Harmonic Generation) 发现极大地
促进了无机晶体材料在相干辐射产生中的应用。
1962年Woodbury用硝基苯研究调Q激光器时发现， 激光器谱线中，还有766nm谱线（红移1345 cm1 ）与激光束同样的传播方向和小发散角。这是与 分子振动有关的相干辐射，受激拉曼散射SRS (Stimulate Raman Scattering )。它在大量的介 质材料(包括气体、液体及固体)中都先后观察 到。 受激布里渊散射SBS(Stimulate Brillouin Scattering )当激光束射入晶体材料后，观察到 在入射激光线的近旁存在着几条亮度很高的辐射 线，频差在 1cm-1 以下，这是与晶体等材料中声 学波相联系的SBS效应。 绪 论 非线性光学进展
•
非线性光学
1、介质被激光照射，可以产生新频率的光束 2、两个光束在传播过程中经过交叉区域后， 其强度会互相传递，此消彼长 3、介质的光学参数随入射光强变化 …… Bloembergen 物质对于外加电磁场的响应，并不是外加电磁场 振幅的线性函数，都属于非线性光学效应的范畴
非线性光学发展简史
非线性光学的早期10年 研究全面深入的20年 20世纪90年代以后 (1961—1970) (1971—1990) (1991—)
Butcher也推出了Nonlinear Optical Phenomena，
从密度矩阵方程出发，推导了介质体系中非线性极化率 的基本公式。
绪 论 非线性光学进展 非线性光学的早期10年(1961—1970)
研究全面深入的20年(1971—1990)
非线性光学效应 光纤中孤子，光学双稳态及混沌，光学压缩态。 新型非线性光学晶体材料 ps及fs激光器 超快脉冲进行非线性光学的研究 1960s 发现四波混频(FWM Four-Wave Mixing ) 简并四波混频( DFWM )或近简并四波混频( NDFWM) 技术作为一种重要的产生相位复共轭光束的方法， 在畸变相位的恢复、相位共轭腔的设计方面得到了 广泛的应用。
绪 论 非线性光学进展 研究全面深入的20年(1971—1990)
光纤通信、光学压缩态
光纤通信 在1970年代初开始研究。 低损耗石英光纤的制成以及近红外波段激光器性能提 高，光纤通信的研究取得了突飞猛进的发展，成为通信 领域最重要和最有发展潜力的手段。 1980年代中期，量子光学领域，获得光学压缩态。 光纤通信中，使用低噪音的光波可望极大地利用光的通 信能力。光学压缩态能将光波电场的两个正交分量中的 一个分量的噪音转移到另一个分量之中，以使这个分量 的噪音降低至真空态的量子噪音以下。光学压缩态首先 是由贝尔实验室的Slusher 等人于1985年在钠蒸汽中采 用近简并四波混频方法获得的。此后许多研究小组陆续 报道了在理论与实验方面对压缩态的研究成果，这些研 究结果主要都是利用与相位有关的非线性光学过程。
非线性光学（ Nonlinear Optics ）
课程属性：专业基础课 学时/学分：40/2 预修课程：电动力学、(量子力学) 教学目的和要求： • 光学及其相关专业研究生的专业基础课 • 非线性光学的基本原理及其重要的应用 • 非线性极化率理论，耦合波方程 • 二阶、三阶非线性光学效应 • 四波混频与光学相位共轭，非线性光学晶体等
Y.Shen,The Principles of Nonlinear Optics。
绪 论 非线性光学进展 研究全面深入的20年(1971—1990)
20世纪90年代以来的进展
新型的非线性光学晶体，如β-BaB2O4 (BBO)及 LiB3O5 (LBO)及KTiPO4(KTP)等，在宽广波长范 围可调谐的连续或ps，fs脉冲光学参量振荡器 (OPO )及光学参量放大器(OPA )。 采用染料激光器或者钛宝石激光器得到调谐的 相干辐射，其波长调谐的实际应用方面受到限 制。基于ps及fs全固态激光器的研制成功及高 质量非线性光学晶体的发现，OPO 及OPA 等技 术在ps和fs谐激光及连续波调谐激光方面的应 用显示了极大的应用潜力。
Nd:YAG激光器，在平均功率未达到损伤阈值时，
钕玻璃棒中会出现细丝状损伤，这是由于自聚焦 (Self-Focusing ),焦点处高于损伤阈值。 在大功率激光器的研制中是一个需要避免的问题， 使其他一些受激过程提前出线。
绪 论 非线性光学进展 非线性光学的早期10年(1961—1970)
饱和吸收：增加入射激光强度，介质的吸收系数会随 之减小。饱和吸收效应，可以在有较大多普勒宽度的 光谱线轮廓中得到有很窄线宽的饱和吸收下凹，也观 察到了反饱和吸收现象。这种具有自然线宽宽度的窄 下凹或窄尖峰的结构的存在被用求进行高精度的干涉 计量和频标研究工作。 双光子吸收效应(Two-Photon Absorption)：介质中的 分子或原子可以经过两个光子的同时吸收而跃迁至较 高的一个激发态。双光子吸收系数与入射光强度的平 方成正比, 可以将它与其他效应区分开来，大大促进 了高分辨无多普勒激光光谱的研究与发展。 瞬态光学效应: 利用脉冲激光激发后，在介质中可以 观察到许多瞬态现象，包括光子回波、光学扰动、自 感应透明及自感应衰减等效应，它们与激发后介质体 系中的相位演变有密切的关系。利用这些技术，可以 研究介质的弛豫特性。 量子光学、量子信息。
绪 论 非线性光学进展 研究全面深入的20年(1971—1990)
半导体体非线性光学材料
1960s，半导体体材料的非线性光学极化率。 1970s以来，实现了各种人工微结构，如半导 体量子阱，超晶格。它们的光学特性及非线 性光学特性具有与体材料明显不同的特点。 利用非线性光学效应研究半导体微结构中的 激子、电子和空穴的结构及弛豫特性 研究增强的非线性光学效应
绪 论 非线性光学进展 研究全面深入的20年(1971—1990)
光学双稳态 1975年贝尔实验室在F-P干涉腔中的钠蒸汽得 光学双稳态。-- 光学计算 1975年实现色散型双稳态 1981年观察到吸收型的光学双稳态。 1980s，四波混频、克尔效应及自聚焦等过程 都可以用于产生光学双稳态，在大非线性特性的 材料中还观察到多稳态。 光学双稳态的发现促进了对不稳定性的认 识，随着输入光强的增加，这种不稳定性表现为 周期性振荡、周期加倍等，最终会导致混沌。
绪 论 非线性光学进展 研究全面深入的20年(1971—1990)
极短波长激光器 利用非线性光学效应产生真空紫外(VUV)， 极端真空紫外(XUV)波段的相干辐射 直接制造这些波段的激光器存在许多困难。 采用非共振FWM或多波混频可以在惰性气体、 属蒸汽中得到VUV及XUV波段的相干辐射。在 软X射线区，由于介质的显著吸收，相干辐射的 产生就需要借助于如高温等离子体、核爆炸、强 激光轰击金属靶等方法。 VUV、XUV及软X射线区的激光器 可用于超大规模集成电路光刻，观察原子、分 子等微观世界全息技术以及高激发态光谱研究。
绪 论 非线性光学进展 非线性光学的早期10年(1961—1970)
理论方面
Amstrong等人在1962年发表了关于光场与物质的非线性
相互作用的长篇论文，至今仍有一定参考价值。
Bloembergen 1965年出版 Nonlinear Optics，
对非线性光学极化率，当时已发现的SHG、SRS等效应作 详细的讨沦，是非线性光学领域的经典性著作。
绪 论 非线性光学进展 研究全面深入的20年(1971—1990)