非线性光学五十年-沈元壤

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凝聚态物理专业硕士研究生专业必修课程《凝聚态物理导论》教学大纲

预修课程：光学、量子力学、电动力学、高等光学。
适用于何方向、是否学位课程：必修课程。
考核方式：考试
参考书目：非线性光学，费浩生编非线性光学，过已吉编非线性光学，沈元壤著
SB1307020504
凝聚态物理专业硕士研究生专业必修课程
《高等量子力学》教学大纲
教学目标：本课程是理论物理的基础理论课，学生在本科学习理论物理的基础上，将量子
与迭代方法思想，会画简单费曼图和做微扰计算。
预修课程：量子力学
适用于何方向、是否学位课程：选修课程。
考核方式：考查
参考书目：韩其智、孙洪洲编著（群论）陈金全著（群表示论的新途径）马中骐戴安英编著（群论及其在物理中的应用） B. G. Wybourne, Classical Grcups for Physicists. 中译本(典型群及其在物理学上的应用)冯承天等译 R. Gilmore: Lie groups Lie algebras and Some of their Applications 刘辽:李群和李代数简介
教学要求： 1、晶体结构的类型及其对称性的分析，倒格子的概念及态的描述；2、掌握晶格振动理论，
并用之解释晶格的声学波和光学波及热传导等；3、能带论是本课程的核心，对不同的晶体结构或材料，建立不同的电子结构模型，计算出本征值和本征态；4、利用电导理论解释材料电阻的温度特性、杂质散射等；5、简单地了解超导电性和半导体电子论的基本性质。预修课程：
SB1307020501
凝聚态物理专业硕士研究生专业必修课程《凝聚态物理导论》教学大纲
教学目标：凝聚态物理学已成为当代物理学中最重要和最丰富的分支学科。该课程主要使学生了
解凝聚态物理的研究内容和研究方法。

非线性光学-绪论-第一章

扩展激光波长的范围和发展各波段连续可调谐技术; 发展非线性光学共轭技术及应用; 以光计算和光电子技术为应用背景，出现了各种光学双稳的方案和装置。
与材料研究紧密结合（非线性光学晶体BBO, LBO/半导体超晶格/量子阱/有机聚合物）
1984年，沈元壤出版《The Principles of Nonlinear Optics》一书
P
0
E
其中，0为真空介电常数，为线性极化率
强激光入射介质（远离介质共振区），可以采用下面的级数
形式表示
P
0 (1)
E
0(
2)
:
EE
0
(3)
EEE
P(1) P(2) P(3) P(1) PNL
其中， (1)为线性极化率， (2) 和 (3)是二阶，三阶非线性极化率。对于各向异性介质， (n)为（n+1）阶张量，张量元一般为
1）提供了产生强相干光辐射并扩展其波段的新手段；
2）解决激光技术本身提出的一些课题；
3）提供了一批新方法和新技术；
简并四波混频产生相位共轭波；采用非线性饱和吸收调Q开关和锁模；采用双光子吸收检测超短脉冲的脉宽；光学击穿用于触发快速火花隙电开关；采用强光自相位调制和自加宽效应产生超连续谱；采用自相位调制可用光纤中产生光孤子。
频）/光学参量振荡和放大效应第四章四波混频/ 光学相位共轭第五章光学克尔效应/ 光束自聚焦/ 自相位调制/
光学双稳态效应第六章受激拉曼散射/ 受激布里渊散射
课程要求和目的课堂要求考核方式
"for development of methods to cool and trap
atoms with laser light"

第1章非线性光学极化率的经典描述n

1.1 极化率的色散特性 1.2 非线性光学极化率的经典描述 1.3 极化率的一般性质习题
第1章非线性光学极化率的经典描述
1.1 极化率的色散特性
1.1.1 介质中的麦克斯韦方程
由光的电磁理论已知, 光波是光频电磁波, 它在介
质中的传播规律遵从麦克斯韦方程组:
B E t D H J t D H 0
(r)
1 1 2 2 r r

第1章非线性光学极化率的经典描述
如果组成光波的各个频率分量是不连续的，则极化强度表示式中的积分由求和代替，表示为
P(1) (t ) 0 (1) (n ) E(n )eint
n
(1.1 - 39)
P(2) (t ) 0 (2) (m , n ) : E(m ) E(n )ei (m n )t
P (t ) 0 d1 d2 ( 2) (1, 2 ) : E (1 ) E (2 )ei (1 2 )t

(1.1 - 35)
第1章非线性光学极化率的经典描述
并与(1.1 - 34)式进行比较, 可以得到二阶极化率张量表示式为
(1,2 ) d1 d 2 R( 2) (1, 2 )ei (
参考书：
1、《非线性光学》
2、《量子电子学》 3、《非线性光学》
石顺祥等著
A. 亚里夫著沈元壤著刘颂豪等译
光与物质相互作用的半经典理论：
非线性光学现象的理论描述涉及到激光辐射场与物
质相互作用的问题，通常采用半经典理论处理。
第1章非线性光学极化率的经典描述
第1章非线性光学极化率的经典描述
以, 下面给出(r)和(r)mic在c.g.s./e.s.u.单位制中的单位:

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。

非线性光学晶体

非线性光学晶体非线性光学晶体对于激光强电场显示二次以上非线性光学效应的晶体非线性光学晶体是对于激光强电场显示二次以上非线性光学效应的晶体。

非线性光学晶体是一种功能材料，其中的倍频（或称“变频”）晶体可用来对激光波长进行变频，从而扩展激光器的可调谐范围，在激光技术领域具有重要应用价值。

1 介绍具有非线性光学效应的晶体。

广义指在强光或外场作用下能产生非线性光学效应的晶体。

通常将强光作用下产生的称为非线性光学晶体; 外场作用下产生的称电光、磁光、声光晶体。

此外，还有含共轭体系的有机分子组成的晶体或聚合物。

广泛应用的有KH2PO4(KDP)、NH4H2PO4(ADP)、CsH2A5O4(CDA)；KTiOPO4、KNbO3、NiNbO3、 Ba2NaNb5O15；BaB2O4(BBO)、LiB3O5(LBO)、NaNO2；GaAs、InSb、InAs、 ZnS等。

按状态分为块状、薄膜、纤维、液晶。

利用二阶非线性效应产生的倍频、混频、参量振荡及光参量放大等变频技术，可拓宽激光的波长范围，已应用于核聚变、医疗、水下摄影、光通信、光测距等方面。

2 三硼酸锂晶体简称LBO晶体。

分子式为 LiB3O5，属正交晶系，空间群为Pna2 的一种非线性光学材料。

福建物质结构研究所首次发现。

密度2.48g/cm，莫氏硬度6，具有较宽的透光范围（0.16～2.6μm），较大的非线性光学系数，高的光损伤阈值（约为KTP的 4.1倍，KDP 的1.83倍，BBO的2.15 倍）及良好的化学稳定性及抗潮解性。

可用于1.06μm激光的二倍频和三倍频，并可实现Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配。

用功率密度为350MW/cm的锁模Nd ：YAG激光，样品通光长度为11mm （表面未镀膜），可获得倍频转换效率高达60%。

LBO晶体可制作激光倍频器和光参量振荡器。

用高温溶液法可生长出光学质量的单晶。

3 三硼酸锂铯晶体CLBO晶体的基本结构与三硼酸铮和三硼酸铯相同，其阴离子基因中平面基团和四面体基团的结合是其大的非线性效应来源。

非线性光学PPT课件

光折象是介质的参量与光强有关的现象
对于各向同性介质，可将矢量式改写为标量形式
P 0 (1) E 0 (2) EE 0 (3) EEE
0 ( (1) (2) E (3) E 2 )E 0(E)E
讲课为主讲课为主每次每次学时学时每个学生需各自针对目前非线性光学的一个前沿性问题进行资料每个学生需各自针对目前非线性光学的一个前沿性问题进行资料收集整理写出不低于收集整理写出不低于50005000字的书面报告要求至少阅读字的书面报告要求至少阅读1515篇文献篇文献再完成该综述论文所选主要参考文献应能代表该领域的前沿技术和再完成该综述论文所选主要参考文献应能代表该领域的前沿技术和发展趋势其中发展趋势其中20122012年以后的文献不少于年以后的文献不少于1010量子信息技术量子信息技术量子计算量子通信量子密匙量子计算量子通信量子密匙光子晶体光纤光子晶体光纤有机分子的光学非线性有机分子的光学非线性纳米材料中的非线性纳米材料中的非线性光速的调控技术光速的调控技术超短脉冲产生技术超短脉冲产生技术光网络中的非线性光网络中的非线性半导体材料及器件中的非线性半导体材料及器件中的非线性高功率下光纤中的非线性及抑制高功率下光纤中的非线性及抑制34主要参考书
23
由激光与物质的非线性相互作用产生的压缩态效应，由于其量子起伏的降低，在通信系统中有应用的潜力，在受到人们的关注。
寻求新的非线性材料一直贯穿于非线性光学的发展。除了寻求新的非线性效应外，寻求非线性极化率更大、光学稳定性更好的材料是非线性光学工作者一直关注的方向。
24
1.3.2 非线性光学研究的发展趋势
Nonlinear Optics 非线性光学
2019/11/23
1
第1章绪论

非线性光学五十年_沈元壤

特约专稿
非线性光学五十年
沈元壤
１）
Hale Waihona Puke （）加州大学伯克利分校物理系美国伯克利ＣＡ９４７２０
摘要文章简要回顾了非线性光学的诞生以及早期的发展，包括二次谐波，激光和频和差频现象，受激拉曼散射，以及激光的一些自作用行为等，介绍了非线性光学的一些重要研究成果和应用，包括非线性光谱学，位相共轭和相干非线性光学以及高次谐波等，最后对非线性光学当前和未来研究热点作了总结和展望．自适应光学，关键词非线性光学，非线性光谱学
ＡｂｓｔｒａｃｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｂｉｒｔｈａｎｄｅａｒｌｉｎｖｅｓｔｉａｔｉｏｎｓｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｒｅｓｅｎｔｓＴ－ｙｇｐｐ，，，ｔｉｃｓｓｕｃｈａｓｓｅｃｏｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｓｕｍａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｆｒｅｕｅｎｃｓｔｉｍｕｌａｔｅｄＲａｍａｎｓｃａｔｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｎｅｒａｔｉｏｎ－ｑｙｇｇ，ｔｅｒｉｎａｎｄｓｅｌｆａｃｔｉｏｎｏｆｌｉｈｔｅｔｃ．Ｓｅｖｅｒａｌｉｍｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓａｎｄａｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒ－ｇｇｐｐｐ，，ｏｔｉｃｓｒｅｓｅｎｔｅｄｈａｓｅａｒｅａｓｗｅｌｌｉｎｃｌｕｄｉｎｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃａｌｓｅｃｔｒｏｓｃｏｃｏｎｕａｔｉｏｎａｎｄａｄａｔｉｖｅｏ－ｐｐｐｇｐｐｐｙｊｇｐｐ，，，ｔｉｃｓｃｏｈｅｒｅｎｔｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃｓａｎｄｈｉｈｏｒｄｅｒｈａｒｍｏｎｉｃｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｇ－ｇｔｏｉｃｓｉｎｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ｐｐ，Ｋｅｗｏｒｄｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃａｌｓｅｃｔｒｏｓｃｏｐｐｐｐｙｙ

物理学专业硕士研究生培养方案

物理学专业硕士研究生培养方案（2017级研究生开始使用）一、专业学科、学制、学习方式一级学科：物理学（代码：0702 ）二级学科：凝聚态物理（代码：070205 ）理论物理（代码：070201 ）学制：三年学习方式：全日制二、本学科情况介绍：物理学是研究物质的结构、相互作用和运动规律以及它们的各种实际应用的科学。

它是自然科学的基础，是近代科学技术的主要源泉。

物理学是基础学科也是发展最快的学科之一，是与产业联系最密切的理学学科。

物理学科是广州大学最早建立重点学科之一，属广州市人才培养的重要基地，1996年获二级学科硕士授予权，已经培养了50多名硕士，许多人已成为重要学术和技术骨干。

经过多年的努力，学科已经形成了若干个稳定的研究方向。

理论物理专业的研究方向有：受限小量子系统、磁性与强关联多电子系统的理论研究。

凝聚态物理专业的研究方向有：半导体纳米结构中的电子性质研究、信息光电子研究方向、信息功能材料与计算机辅助设计.学科的研究特色是与国际该领域的研究接轨，所有的成果都将在国内外权威刊物上发表，绝大部分论文被《SCI》所收录，有相当部分论文被国内外同行引用。

近年来学科承担了国家自然科学基金10项，广东省自然科学基金重点项目1项，广东省自然科学基金和计划项目20多项。

2000年3月以来获省部级奖励6项，其中教育部科学技术二等奖1项，广东省科学技术一等奖1项，三等奖3项，2005年以来本学科获得国家发明专利5项。

本学科除取得一些科学成果外，还取得了一些社会效益。

学科已经培养硕士研究生50多人，毕业生全部就业，且有多名毕业生在山西大学、安徽大学、中山大学、华南师范大学等211工程学校及新加坡科技学院从事教学科研工作。

有些研究生的毕业论文发表在“Phys. Rev. B”,“J. Appl. Phys.”,“J. Phys.: Condens. Matter”,“Eur. Phys. J”等国际权威刊物上，毕业生中有多人分别考上北京大学、上海交大、中国科学院、南京大学、中山大学、北京理工大学和华中科技大学等学校博士研究生，8人被评为“南粤优秀研究生”。

非线性光学——精选推荐

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。

关于光学双稳态的解析

15
当输入信号较弱时，输出很弱（“关” 的状态）。当输入信号y逐渐增强到一定数值 IM 时，输出光强发生跳跃式的增强（“开”的状态）。反之，当输入光强从强到弱逐渐减弱到特定数值 Im 时，输出光强则从上面的分支跳到下面的分支。
在图中的S形曲线的中间部分，对于输入信号的一个值，输出有两个稳定值。究竟输出光信号在哪个状态上，与输入信号的变化过程的方向有关。
度（近场光学），再到微观尺度（量子光学）。
11
非线性光学的应用举例
① 用非线性光学方法实现对激光的振幅、相位、强度、波形、方向、偏振等参量进行控制；
② 用非线性方法获得物质成分、结构、特性等信息； ③ 在各种空间尺度和时间范围内研究光与物质之间相
互作用的规律。
12
二、光学双稳态
（一）光学双稳态的基本原理（二）吸收和色散型光学双稳态（三）光学双稳态器件
nr
L
n0
n2 I
L
1 2
mr
23
当入射光强 Iin 增强到一定的数值 I M 时，则输出光强
增长的斜率变为无穷大。输出光强的变化发生跳跃，即从下分支跳到上分支。
这时，若输入光强继续增强，L 又偏离谐振，Iout 随 Iin
的变化就更慢了，即在上分支有负反馈的过程。
24
当输入光强从强到弱变化时，输出略有降低。当 Iin 到 IM 时，由于在该点正对应谐振条件，腔内光强是强的，所以
式中的 2kL 描述的是 E1 和 E2 之间的位相差，代表腔
中介质对光场的单位长度未饱和吸收系数。由于 ET 随
E1 线性变化，因此下面我们仅讨论 I1 与 Ii 之间的变化
关系。
30
由上面的边界条件可知：

非线性光学第一章

1965年，Bloembergen等人出版《Nonlinear Optical phenomena》一书，基本建立了以非线性介质极化和耦合波方程组为基础的非线性光学理论
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

非线性光学综述摘要文章简要回顾了非线性光学的诞生以及早期的发展，包括二次谐波，激光和频和差频现象，以及受激拉曼散射等，介绍了非线性光学的一些重要研究成果，最后对非线性光学当前和未来研究热点作了总结和展望。

关键词非线性光学The summary of nonlinear opticsAbstractThis article presents a brief introduction to the birth and early investigations of nonlinear optics, such as second harmonic generation, sum and difference frequency generation, and stimulated Raman scattering etc. Several important research achievements and applications of nonlinear optics are presented. In the end, current and future research optics in nonlinear optics are summarized.Keywords nonlinear optics1 非线性光学的诞生激光的发明，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。

激光与物质的非线性相互作用，可以从极化偶极矩的表达式 (2)(3)()::p E E E E E E E ααα=+++ ，中看出。

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[1]。

《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
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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
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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
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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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光通信必读优秀书籍

非线性光学部分介质在强激光场作用下产生的极化强度与入射辐射场强之间不再是线性关系，而是与场强的二次、三次以至于更高次项有关，这种关系称为非线性。

凡是与非线性有关的光学现象称为非线性光学现象，属于非线性光学的研究内容。

非线性光学一方面研究光辐射在非线性介质中传播时由于和介质的非线性相互作用自身所受的影响，另一方面则研究介质本身在光场作用下所表现出的特性。

在光通信中，主要是进入高速通信，10g，尤其是40G，随着入纤光功率的增强，非线性效应逐渐显现，系统设计必须加以考虑这方面的影响，于是在40G里面变出现了形形色色的编码。

以下切入正题1、《Nonlinear Fiber Optics》和《Applications of Nonlinear Fiber Optics》Agrawl ，这2本书从书名大家应该也可以看出是偏重于光纤通信应用的，目前第一个已经到第四版，第二个为第二版了，包括中译本，论坛都有，大家可以搜索下就可以都看到了。

... =nonlinear%2Boptics... =nonlinear%2Boptics2、Boyd 的《nonlinear optics》3rdW. Boyd教授在2002年被任命为Rochester大学 M. Parker Givens Professor of Optics，lz发的应该是第二版，该书1992年第一版，第二版在第一版的基础上增加了很多新内容，并对以前的内容做了不少修订，在2008年的4月，该书又出了第三版。

整体来说，该书内容比较深，学校里的高年级研究生和一般研究人员可参考。

今年5月份曾代表美国光学学会来南京开会下载链接：... =nonlinear%2Boptics3、华裔学者沈元镶的《非线性光学原理》沈是这方面非常牛b的，他的导师算是非线性光学方面的开创者吧，并因此获得了诺贝尔奖。

工作单位：美国伯克利加州大学简介：美国物理学家。

1956年毕业于台湾大学。

加州大学伯克利分校知名人物

加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley），简称伯克利（Cal），位于美国旧金山湾区伯克利市，是世界著名公立研究型大学、在学术界享有盛誉，位列2015年usnews世界大学排名世界第3、ARWU世界大学学术排名世界第4。

伯克利是加州大学的创始校区，也是美国最自由、最包容的大学之一；该校学生于1964年发起的“言论自由运动”在美国社会产生了深远影响，改变了几代人对政治和道德的看法。

伯克利还是世界上最重要的研究教学中心之一，ARWU理科排名世界第1、工程及计算机科学世界第、人文社科也长期位列世界前5，与南湾的斯坦福大学共同构成了美国西部的学术中心。

立思辰留学360介绍，截止2015年，伯克利共走出了72位诺贝尔奖得主（世界第六）、8位菲尔兹奖得主（数学最高奖）和世界最多的20位图灵奖得主（计算机最高奖）；21世纪获得诺贝尔奖人数位居世界第三。

数学大师陈省身在此建立了美国国家数学科学研究所；在此任教的“原子弹之父”奥本海默领导制造出了人类第一枚原子弹；诺贝尔物理学奖得主欧内斯特·劳伦斯在此发明了回旋加速器，并建立了美国顶级国家实验室劳伦斯伯克利国家实验室；诺贝尔化学奖得主西博格等人在此发现了十六种化学元素，在世界上遥遥领先，其中第97号元素“锫 (Berkelium)”更是以“伯克利”命名；在工程和计算机领域，伯克利为南湾的硅谷培养了大量人才，包括英特尔创始人戈登·摩尔、安迪·葛洛夫和苹果公司创始人斯蒂夫·沃兹尼亚克。

现任美联储主席耶伦也是该校教授。

知名人物1）数学、物理学及天文学陈省身，世界级数学大师、微分几何之父，1960年起担任伯克利数学系教授，并建立美国国家数学科学研究所（MSRI），其中研究所主楼被命名为“陈省身楼”（Chern Hall）；丘成桐，世界著名数学家，菲尔兹奖（世界数学最高奖）获得者，1971年获得伯克利数学博士学位，师从陈省身教授；格里戈里·佩雷尔曼，世界著名数学天才，菲尔兹奖（世界数学最高奖）获得者，解决了世界七大数学难题之一的庞加莱猜想，1993-94年在伯克利从事博士后研究；斯蒂芬·斯梅尔，世界著名数学家，主攻拓扑学和动力学系统，1966年菲尔兹奖获得者，1960年起一直担任伯克利数学教授直到退休；罗伯特·奥本海默，著名理论物理学家、原子弹之父、美国曼哈顿计划首席科学家，伯克利物理学教授，在伯克利成立了著名的“奥本海默理论物理学中心”（后更名为“伯克利理论物理学中心”），使得伯克利成为世界理论物理研究中心之一；爱德华·泰勒，著名理论物理学家、氢弹之父、曼哈顿计划重要人物，伯克利物理学教授，在伯克利成立了著名的伯克利空间科学实验室（Space Sciences Laboratory, SSL）；朱利安·施温格，二十世纪最伟大的理论物理学家之一，量子电动力学的创始人之一，与理查德·费曼齐名并共同获得1965年诺贝尔物理学奖，1939年-1941年在伯克利从事学术研究，师从奥本海默；史蒂芬·温伯格，著名理论物理学家，因对“弱电统一论”作出了卓越贡献而获得1979年诺贝尔物理学奖，1959-1966年在伯克利担任教职；谢尔登·格拉肖，著名理论物理学家，因对“弱电统一论”作出了卓越贡献而获得1979年诺贝尔物理学奖，1962-1966年在伯克利担任（副）教授；李政道，著名华裔理论物理学家，因提出宇称不守恒理论而于1957年获得诺贝尔物理学奖，曾在伯克利任教（1950-1951年）；戴维·格娄斯，著名理论粒子物理学家、弦理论专家，2004年诺贝尔物理学家得主，1966年获得伯克利物理学博士学位；加来道雄，著名美籍日裔理论物理学家、科普作家，代表作包括《不可能的物理学》、《平行宇宙》等等，1972年获得伯克利物理学博士；欧内斯特·劳伦斯，著名实验物理学家、伯克利物理学教授，1932年发明了回旋加速器并于1939年获得诺贝尔物理学奖，而后在伯克利成立了“加州大学放射实验室”（而后更名为“劳伦斯伯克利国家实验室”），使得伯克利成为世界自然科学研究中心之一，103号化学元素铹（Lawrencium）就是为纪念劳伦斯而命名；劳伦斯路易斯·阿尔瓦雷茨，著名实验物理学家、1968年诺贝尔物理学奖得主，同其子Walter Alvarze 提出了“小行星撞击说”的恐龙灭绝理论（Alvarez Hypothesis），他几乎在伯克利度过了整个学术生涯；查尔斯·哈德·汤斯，世界著名实验物理学家、激光研究先驱、被誉为“激光之父”，1964年获得诺贝尔物理学奖，1967年起担任伯克利教授直到去世；吴健雄，著名华裔实验物理学家、美国物理协会第一位女性会长、素有“中国居里夫人”之称，于1940年取得伯克利物理学博士学位，后通过实验验证了李政道、杨振宁的“弱作用下宇称不守恒”假说，使得后者获得1957年诺贝尔物理学奖）；奥托·斯特恩，著名实验物理学家、1943年诺贝尔物理学奖得主，与盖拉赫进行了著名的斯特恩-盖拉赫实验（Stern-Gerlach Experiment），证明了电子的量子化自旋，去世前一直担任伯克利物理学教授、荣誉退休教授；唐纳德·格拉泽，著名实验物理学家，因发明了著名的“气泡室”（Bubble Chamber）而获得1960年诺贝尔物理学奖，1959年起担任伯克利教授直到去世；朱棣文，国际著名实验物理学家、1997年诺贝尔物理学奖获得者、第12任美国能源部部长，1970 - 1976 年在伯克利攻读物理学学博士, 1976 - 1978 继续在伯克利进行博士后研究，2004年 - 2008年间担任美国劳伦斯伯克利国家实验室主任（Director），期间还担任伯克利物理系、分子生物学系教授；庄小威，著名华裔生物物理学家、美国科学院院士、哈佛大学教授，1997年获得伯克利物理学博士学位；丽莎·蓝道尔，著名理论物理学家、哈佛理论物理学教授，1987-1990年在伯克利从事博士后研究；沈元壤，著名华裔物理学家、被誉为“非线性光学之父”，伯克利物理学教授；乔治·斯穆特，著名天体物理学家、天文学家，伯克利物理学教授，因在宇宙微波背景辐射方面作出了卓越贡献而于2006年获得诺贝尔物理学奖，在伯克利成立了著名的“伯克利宇宙学中心”（Berkeley Center for Cosmological Physics, BCCP）；索尔·珀尔马特，著名天体物理学家、天文学家，伯克利物理学教授，1998年领导团队发现宇宙膨胀加速现象，证明暗能量的存在，2011年获得诺贝尔物理学奖；2）化学及生命科学格伦·西奥多·西博格，著名化学家、1958-1961年伯克利分校第二任校长（Chancellor），1951年诺贝尔化学奖得主，领导团队在伯克利发现了10余种化学元素，包括97号锫（Berkelium）和98号锎（Californium）这两种以伯克利、加州的名字来命名的，106号化学元素钅喜（Seaborgium）就是为纪念他而命名；哈罗德·克莱顿·尤里，著名化学家，因发现了重氢“氘”而获得1934年诺贝尔化学奖，1921年进入伯克利攻读化学博士学位；威廉·弗朗西斯·吉奥克，著名化学家，因其在物质接近绝对零度研究领域的卓越贡献而获得1949年诺贝尔化学奖，他一生中绝大多数学术生涯都在伯克利度过；威拉得·利比，著名化学家，因发明碳—14年代测定法而获得1960年诺贝尔化学奖，20世纪30年代初在伯克利取得本科以及博士学位，后担任伯克利化学系教授；托马斯·切赫，著名化学家、生化学家，因起在RNA方面的卓越贡献而获得1989年诺贝尔化学奖，1975年获得伯克利化学博士；艾伦·黑格，著名化学家，2000年诺贝尔化学奖得主，固体聚合物领域顶尖专家，1961年获得伯克利化学博士学位；杨培东，世界顶尖化学家、纳米材料专家、美国国家科学院院士，1999年起担任伯克利教授；钱泽南，著名生化学家、美国霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute，“HHMI”）现任主席、美国科学院院士，1971年于伯克利取得学士学位（B.A）, 于1979年返回伯克利并工作至今，任生物化学及分子生物学教授；李远哲，著名台湾化学家，因其在化学反应动力学研究而获得1986年诺贝尔化学奖，1965年获得伯克利化学博士学位，1974年起担任伯克利化学教授；赛尔曼·A·瓦克斯曼，著名生化学家、微生物专家，发现了链霉素等抗生素，1952年获得诺贝尔生理学或医学奖，1918年获得伯克利生化博士学位；汉弥尔顿·史密斯，著名微生物学家，1978年诺贝尔生理学或医学奖得主，1952年在伯克利获得数学本科学位；凯利·穆利斯，著名生化学家，因发明了PCR技术而获得1993年诺贝尔化学奖，1972年获得伯克利生化学博士学位；卡罗尔·格雷德，著名分子生物学家，2009年诺贝尔生理学或医学奖得主，1987年获得伯克利分子生物学博士；胡先骕，著名植物学家、中国植物分类学奠基人，1916年本科毕业于伯克利农学院；3）计算机科学及工程学戈登·摩尔，英特尔创始人之一，提出了著名的“摩尔定律”，1950年获得伯克利化学本科学位；安迪·葛洛夫，著名美国企业家、工程师，半导体领域先驱，英特尔前CEO，1963获得伯克利化工博士学位；斯蒂夫·沃兹尼亚克，苹果公司创始人之一，1971年前后在伯克利攻读本科学位（后休学），后返回伯克利并获得理学学士学位（1987年）；埃里克·施密特，谷歌（Google）前CEO、现任Alphabet Inc.（Google母公司）董事长，先后获得伯克利硕士（1979年）和电机工程博士学位（1982年）；威廉·纳尔逊·乔伊（Bill Joy），著名美国计算机学家，太阳计算机系统公司（Sun Microsystems）创始人之一、首席科学家，1979年获得伯克利计算机硕士学位；保罗·雅各布，高通（Qualcomm）公司董事长[77] 、高通创始人欧文·雅各布斯之子，曾获得伯克利电机工程及计算机（EECS）博士（1989年）、硕士及学士学位；达纳·斯科特，著名计算机学家、1976年图灵奖得主，1954年获得伯克利数学本科学位；肯·汤普逊，著名计算机科学家、1983年图灵奖（计算机界最高奖）获得者，创立了UNIX系统和B语言，先后获得伯克利计算机本科（1965年）及硕士学位（1966年）；道格拉斯·恩格尔巴特道格拉斯·恩格尔巴特，著名计算机科学家、1991年图灵奖得主，“鼠标”的发明者，先后获得伯克利硕士（1953年）和博士学位（1955年）；巴特勒·拉姆泼逊，著名计算机科学家、1992年图灵奖得主，曾任微软总工程师，1967年获得伯克利博士学位；姚期智，著名华裔计算机科学家、2000年图灵奖得主，现任清华大学计算机系教授，1981-1982年在伯克利担任计算机系教授；伦纳德·阿德曼，著名计算机科学家、2002年图灵奖得主，发明了RSA加密法，先后获得伯克利数学本科学位（1968年）和电机工程博士学位（1976年）；莎菲·戈德瓦塞尔，著名计算机科学家、2012年图灵奖得主，先后获得伯克利计算机硕士（1981年）及博士学位（1984年）；希尔维奥·米卡利，著名计算机科学家、2012年图灵奖得主，1982年获得伯克利计算机博士学位；田长霖，国际著名热学家、美国艺术与科学院院士、中国科学院及工程学院双院外籍院士，伯克利历史上第7任校长（Chancellor, 1990 - 1997），也是美国顶尖大学中首位华人校长，为纪念他，伯克利的东亚图书馆（East Asian Library）大楼被命名为“田长霖大楼”（Chang-lin Tien Center for East Asian Studies）；林同炎，世界著名华裔结构工程学家、预应力之父，毕业于伯克利（1933年），之后还长期担任伯克利的工程学教授，为了纪念他，伯克利还成立了林同炎实验室；汉斯·爱因斯坦，阿尔伯特·爱因斯坦的长子，从1947年起一直担任伯克利水利工程学教授，并且还是美国水利工程学领域的权威之一；蔡少棠，著名华裔工程学家，被誉“非线性电路理论之父”、“细胞式类神经网络之父”，从1971年起也一直担任伯克利电气工程与计算机科学系教授，其大女儿蔡美儿就是著名的“虎妈”；4）政治学、经济学及人文社科厄尔·沃伦，1953年-1969年美国首席大法官、原加州州长、著名政治家、著名法学家，1912年获得伯克利政治科学本科学位、1914年获得法学博士学位（J.D）；珍妮特·耶伦，著名经济学家、现任美联储主席（美国历史上第一位女性美联储主席），伯克利经济学及哈斯商学院教授；迪安·腊斯克，美国原国务卿（1961-1969年）、美国著名外交家，1940年获得伯克利法学学位；哈肯·马格努斯，挪威皇室王储，1999年获得伯克利政治科学本科学位；佐勒菲卡尔·阿里·布托，著名政治家、原巴基斯坦总统（1971-1973年）、总理（1973-1977年），1950年获得伯克利政治科学本科学位；米格尔·安赫尔·罗德里格斯，著名政治家、经济学家、原哥斯达黎加总统（1998-2002年），1966年获得伯克利经济学博士学位；杰瑞·布朗，美国政治家、美国加利福尼亚州第39任州长（现任），1961年从伯克利本科毕业；孙科，孙中山长子、前中华民国考试院、行政院、立法院长，1916年从伯克利本科毕业；宋楚瑜，著名政治家、台湾亲民党创始人及现任主席，1966 - 1967 年间在伯克利攻读政治科学（Political Science）硕士（M.A）；保罗·盖蒂，美国著名实业家、前美国首富，创立了盖蒂石油公司，曾在伯克利攻读本科学位；孙正义，日本首富、著名企业家、日本软银集团创始人和现任董事长，曾投资马云的阿里巴巴（软银集团现为阿里巴巴最大股东），1980年获得伯克利本科经济学位；王雪红，台湾女首富、著名企业家、HTC董事长、台塑集团董事长王永庆之女，1981年获得伯克利经济学本科学位；加尔布雷斯，美国最伟大的经济学家之一、著名社会学家，美国新制度学派代表人物，获得伯克利硕士及经济学博士学位；劳伦斯·克莱因，著名经济学家、1980年诺贝尔经济学奖得主、被誉为“计量经济学之父”，1942年获得伯克利经济学本科学位；道格拉斯·诺斯，著名经济学家、1993年诺贝尔经济学奖得主，先后获得伯克利本科学位（1942年）和经济学博士学位（1952年）；丹尼尔·麦克法登，著名经济学家、2000年诺贝尔经济学奖得主，计量经济学大师，伯克利经济学教授；丹尼尔·卡内曼，著名经济学家、心理学家，2002年诺贝尔经济学奖得主，1961年获得伯克利心理学博士学位，1986-1993年在伯克利担任教授；托马斯·克罗姆比·谢林，著名经济学家、2005年诺贝尔经济学奖得主，1944年获得伯克利经济学本科学位；托马斯·萨金特，著名经济学家、2011年诺贝尔经济学奖得主，1964年从伯克利本科毕业；钱颖一，著名经济学家、现任清华大学经济管理学院院长，2001-2006年任教于伯克利（经济学教授）；张爱玲张爱玲，著名中国现代作家，代表作有《倾城之恋》、《半生缘》等，于1969年 -1972年在伯克利从事学术研究；罗伯特·佩恩·沃伦，美国第一位桂冠诗人、“新批评派”（New Criticism）代表人物，被誉为“二十世纪后半叶美国最重要的诗人”，曾三次获得普利策奖，1926年获得伯克利硕士学位；赵元任，著名国学大师、语言学家，被誉为“中国现代语言学之父”，1947年-1963年长期任教于伯克利（东亚语言学教授），后从伯克利退休；蒋梦麟，中国近代著名教育家、学者，原北大校长、国民政府第一任教育部部长，1912年获得伯克利本科教育学学位；唐明照，中国著名外交家、中国首任联合国副秘书长，1937年从伯克利本科毕业并获得历史学士学位；5）其它领域贾森·基德，美国前NBA巨星、现任密尔沃基雄鹿队主教练，1990-1994年间在伯克利攻读本科学位；凯文·约翰逊，美国前NBA巨星、现任美国加州首府萨克拉门托市的市长，1987年年获得伯克利本科政治学学位；马特·比昂迪，世界著名游泳运动员（美国）、历史上获得奥运金牌数最多的十位运动员之一（8金、2银、1铜），曾至少打破6项世界纪录，1988年从伯克利本科毕业；米西·富兰克林，世界著名游泳运动员（美国）、被誉为“女版菲尔普斯”，2012年伦敦奥运会上获得4金1银，并打破两项世界纪录，2012年进入伯克利攻读本科学位；娜塔莉·考芙琳，世界著名游泳运动员（美国），在2008年北京奥运会上连夺6枚奖牌（包括100米蛙泳金牌），一生共获得12枚奥运奖牌，2001年进入伯克利攻读本科学位；亚历克斯·摩根，美国著名（女）足球运动员、美国女子国家队队员，于2007-2010年在伯克利攻读政治经济学本科学位；格利高里·派克，世界著名影星、奥斯卡影帝，其代表作包括《罗马假日》、《乞力马扎罗的雪》和《爱德华大夫》等等，1936年进入伯克利攻读本科学位；克里斯·派恩，著名好莱坞影星，曾主演《星际迷航》、《公主日记2：皇室婚约》等电影，2002年从伯克利本科毕业并获得英语文学学位；约翰·赵，好莱坞著名韩国影星，参演过《星际迷航》、《美国派》等电影和电视剧，1996年从伯克利本科毕业并获得英语文学本科学位。

光束在向列相液晶中传输的研究概况

面有着广泛的应用前景。三、束语结
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空间光孤子是一种奇特的物理现象，而液晶材料是一种奇妙的中间相材料，具有其他材料所没有的优越性质，用这些性质可以制成全光控制利器件，使得向列相液晶中的空间光孤子在光子信息处理、成光学、互这集光
二、论及实验研究进展理
可以控制孤子间的相互作用。因此，两个反相孤子相互吸引或排斥取决于
在理论上预测了这种取决于非局域性的相似的相互作用特性，存在一个即
１９年，ｎｄｒＭｔｈｌ对光束在强非局域介质中的传输作了杰出的贡相干系数是高于还是低于阈值。基于（＋１维的ＮＣ模型，ａｍｓｅ９７Ｓｙｅ和ｉｅｌｃ１）ＬＲｓｕｓｎ等
０呻《
献，把复杂的非线性问题化为简单的线性问题，他们的开拓性工作得到了沈元壤的高度评价，非局域光孤子的研究成为了孤子领域研究的一大热点。此后１９９８年，Ａ．ａｉｒ等人在液晶盒中观察到光束自陷现象，用光Ｍ．Ｋｒｅｚｐ所源为波长为８２ｍ的半导体激光器，品盒中液晶分子的指向矢垂直于两４ｎ样玻璃基片。纤维偏振器控制入射光在液晶盒中的激发模式为最基本的ＴＥ

光学电磁第七章激光脉冲非线性传输的基础理论2015

该方程描述连续光束的非线性传输。
连续光的自聚焦
A 1 2A 2A 2 i 2 2 A A z 2k x y
多维NLS方程通常无解析解，但在做出某些合理假设的条件下可以近似解析求解。
复数振幅A可以通过绝对振幅A和相位Φ来表示，在柱对称情况下有
x2 y2 T 2 A0 exp 2 2 r0 0 x2 y2 T 2 k0 x 2 y 2 A0 exp 2 i 2 r0 2f 0
x
聚焦高斯脉冲（弱聚焦 f >>D）；
A( x, y , z , T ) z 0
脉冲波形不变，以相速度 / k 传播.
/k
z
脉冲普宽较窄, 在中心波长 0 附近色散关系可近似用线性函数拟合
dk 0 k k0 0 d 0
(5)
慢变振幅近似: 脉冲波形可表示为被调制的中心频率上的简谐振荡: 其中A(z,t)为复数振幅, 其中包含了相位信息. 假设介质入口处
2 1 E 2 E 0 2 t
E z, t E0e i t k z
(1)
(2) (3)
(2)代入(3)，可得 (4) 无色散情况： k / c0 ，将其代入（4），求积分后可得
z u z, t u0 t c 0
A 1 2 A 2 A 1 2 A 2 i 2 2 2 2 A A z 2k0 x y 2 T
脉冲光束的传输可归结为一个初值问题
A 1 2 A 2 A 1 2 A 2 i 2 2 2 2 A A z 2k0 x y 2 T
1 2 k k0 1 0 2 0 ... 2

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图２红宝石激光器通过石英晶体和棱镜分光，发现二阶非线性
３］光学现象［
）、光学参量（ｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｔｉｃａｌａｒａｍｅｔｒｉｃｅｎ－ｇｐｐｇ）ｅｒａｔｉｏｎ如果有了很强的光场，很容易看到非线性光学现象．在提高脉冲激光的峰值光场或强度方面，早年）发展了一个所谓的调Ｑ激光技术（其Ｑｓｗｉｔｃｈｉｎ．－ｇ原理是，当激光被泵浦时，把激光的共振腔关掉（低，让泵浦源持续不断地把能量注入并存储在激Ｑ值）中，然后在短时间内把共振光介质（ｌａｓｅｒｍｅｄｉｕｍ），腔打开（高Ｑ值）使储存在介质里的能量转换成光出现在一个很短的激光脉冲里，这叫巨脉冲能，（），）也叫调Ｑ脉冲（激ｉａｎｔｕｌｓｅｕｌｓｅＱｓｗｉｔｃｈｅｄ－ｇｐｐ巨脉冲的光场就非常强．因此，一些简单的非线光．性光学现象都很容易被看到，例如二次谐波（ｓｅｃｏｎｄ）、和频（ｈａｒｍｏｎｉｃｓｕｍｆｒｅｕｅｎｃｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｎｅｒａ－ｑｙｇｇ））等．如图４（所示，当频率为ω ｔｉｏｎａ ω １，２的光同时会在介质中产出（频率的极进入一介质时， ω ω １＋２）
红宝石激光器出现后，人们立即想到非线性光学现象可能被观察到．１９６１年，Ｆｒａｎｋｅｎ等用红宝石激光照射石英晶体，然后用棱镜光谱仪去分析透射的光．发现在光谱上除了基频信号外，还有一个很弱的二倍频的斑点，首次证实了二倍频的产生（见当文章送给Ｐ图２）．ｈｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ杂志发ｙ杂志的印刷人员却以为光谱中的倍频斑点是表时，个污点而将它抹去，因此抹掉了文章中二倍频产生的唯一证据，成为物理学上的一段趣事．
５０ｙｅａｒｓｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃｓｐ
ＳＨＥＮＹ．Ｒｏｎ
（ＤｅａｒｔｍｅｎｔｏＰｈｓｉｃｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏＣａｌｉｏｒｎｉａ，ＢｅｒｋｅｌｅＡ９４７２０，ＵＳＡ）ｐｆｙｙｆｆｙＣ
世界各地０１１年是非线性光学诞生５０周年，２都对此进行庆祝．这里我简要回顾非线性光学的发展历史，介绍一些当前研究现状、热点，以及今后可能进一步研究的问题．
１激光和非线性光学诞生
１９５８年，Ｓｃｈａｗｌｏｗ和Ｔｏｗｎｅｓ指出激光可以在［］１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
哈佛大学的Ｂｌｏｅｍｂｅｒｅｎ等人获悉Ｆｒａｎｋｅｎ等ｇ立即对一些基本的非线性光学问题的实验结果后，作出了严格的理论分析，从而奠定了非线性光学的
４］理论基础［该文章探讨和分析了很多可能的非线．
，性光学行为（见图３）其中不少行为即使在今天仍例如，文章中提出是实验室中广泛研究发展的课题．准相位匹配（的想法，利用材ｕａｓｉｈａｓｅｍａｔｃｈｉｎｑｐｇ）料超晶格的周期结构来满足相位匹配的条件，从而近年来不少实验室包括得到很高的频率转换效率．南京大学等都在从事这个工作．共振腔内位相匹配（）也是ａｔｃｈｅｄｉｎｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｈａｓｅｅｎｅｒａｔｉｏｎ－ｍｙｐｇ文文章中提出另一可以提高频率转换效率的方法．章中还提到可以利用差频技术产生太赫兹电磁波（ＴＨｚｅｎｅｒａｔｉｏｎｂｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｆｒｅｕｅｎｃｅｎｅｒａ－－ｇｙｑｙｇ），现在仍是如何产生短脉冲太赫兹波的重要科ｔｉｏｎ文章也预测可以利用上转换（研方向．ｕｃｏｎｖｅｒ－－ｐ）现象来探测很弱的红外信号，现在大家都在继ｓｉｏｎ所以，大家可以看到，这篇文章是续发展这一技术．非常重要的．Ｂｌｏｅｍｂｅｒｅｎ也因此奠定了他在非线ｇ
［］）见图１５月，Ｍａｉｍａｎ首先发现了红宝石激光器２（．激光的发明，引导出很多新的学科，对我们今天
图１红宝石激光器的结构图
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
２最初发现的非线性光学现象（ｅａｒｌｙ）ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃａｌｅｆｆｅｃｔｓｐ
、激光２．１二次谐波（ｓｅｃｏｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｅｎｅｒａｔｉｏｎ）ｇ和频、差频（ｓｕｍａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｆｒｅｕｅｎｃｑｙ
特约专稿
非线性光学五十年
沈元壤
１）
（）加州大学伯克利分校物理系美国伯克利ＣＡ９４７２０
摘要文章简要回顾了非线性光学的诞生以及早期的发展，包括二次谐波，激光和频和差频现象，受激拉曼散射，以及激光的一些自作用行为等，介绍了非线性光学的一些重要研究成果和应用，包括非线性光谱学，位相共轭和相干非线性光学以及高次谐波等，最后对非线性光学当前和未来研究热点作了总结和展望．自适应光学，关键词非线性光学，非线性光谱学
（３）
：１卷（２０１２年）２期ｈｔｔｗｗｗ．ｗｕｌｉ．ａｃ．ｃｎ物理 ·４ ? ? ｐ
·７１·
特约专稿／可以预测，当光电场达到近１在光波波段ｋＶｃｍ时，也会产生类似的非线性现象．性光学领域中的宗师身份，并于１９８０年因为他对非线性光谱学的贡献获得诺贝尔物理奖．
其中的科学技术以及日常生活都产生了重大影响．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．激光与物质的非线性相互作用，可（２） → → → → → 以从极化偶极矩的表达式ｐ（Ｅ）ＥＥ＝α·Ｅ＋α ： → → → ＋ … 中看出．早年，微波和射频方面的ＥＥＥ＋α ：，研究已经证明当电场很大的时候，会产生非线性现
图３非线性光学混频的示意图
它的辐射就是和频的输出．如果要转换效化偶极矩，率高，光的输入和输出一定要满足光的动量守恒（），也就是我们说的位相匹ｍｏｍｅｎｔｕｍｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ → → → ，配条件（ｈａｓｅｍａｔｃｈｉｎｋｋｋ）．ｐｇ１＋２＝
２０１１－１２－１３收到：ｍａｉｌａｎｚｈ．ｉｈ．ａｃ．ｃｎＥ＠ａｙｇｇｐｙｐｙ）０１１年９月在中国科学１本文是王长涛和陶兴根据沈元壤先生２院光电技术研究所访问时的学术报告 “ Ｃｅｌｅｂｒａｔｉｎ５０Ｙｅａｒｓｏｆｇ ” 整理成文，又经过杨国桢详细修正完成．章节ＯｔｉｃｓＮｏｎｌｉｎｅａｒｐ题目和部分文字根据报告内容添加
ＡｂｓｔｒａｃｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｂｉｒｔｈａｎｄｅａｒｌｉｎｖｅｓｔｉａｔｉｏｎｓｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｒｅｓｅｎｔｓＴ－ｙｇｐｐ，，，ｔｉｃｓｓｕｃｈａｓｓｅｃｏｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｓｕｍａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｆｒｅｕｅｎｃｓｔｉｍｕｌａｔｅｄＲａｍａｎｓｃａｔｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｎｅｒａｔｉｏｎ－ｑｙｇｇ，ｔｅｒｉｎａｎｄｓｅｌｆａｃｔｉｏｎｏｆｌｉｈｔｅｔｃ．Ｓｅｖｅｒａｌｉｍｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓａｎｄａｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒ－ｇｇｐｐｐ，，ｏｔｉｃｓｒｅｓｅｎｔｅｄｈａｓｅａｒｅａｓｗｅｌｌｉｎｃｌｕｄｉｎｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃａｌｓｅｃｔｒｏｓｃｏｃｏｎｕａｔｉｏｎａｎｄａｄａｔｉｖｅｏ－ｐｐｐｇｐｐｐｙｊｇｐｐ，，，ｔｉｃｓｃｏｈｅｒｅｎｔｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃｓａｎｄｈｉｈｏｒｄｅｒｈａｒｍｏｎｉｃｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｇ－ｇｔｏｉｃｓｉｎｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ｐｐ，Ｋｅｗｏｒｄｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｔｉｃａｌｓｅｃｔｒｏｓｃｏｐｐｐｐｙｙ