非线性光学讲义
激光实验-非线性光学讲义
固体激光倍频与和频一、实验目的：1、了解激光倍频的原理和意义；2、了解角度匹配的原理及调节方法；3、掌握KTP晶体（KTiOPO4磷酸氧钛钾）的匹配类型及匹配角度；4、了解KTP晶体匹配角的计算方法；5、掌握倍频效率的测量方法及倍频效率随注入能量的变化规律。
二、实验原理：1.非线性光学基础光与物质相互作用的全过程，可分为光作用于物质．引起物质极化形成极化场以及极化场作为新的辐射源向外辐射光波的两个分过程．原子是由原子核和核外电子构成，当频率为ω的光入射介质后，引起介质中原子的极化，即负电中心相对正电中心发生位移r形成电偶极矩其中e是负电中心的电量,我们定义单位体积内原子偶极矩的总和为极化强度矢量P，N是单位体积内的原子数．极化强度矢量和入射场的关系式为：其中χ（1），χ（2），χ（3）…分别称为线性极化率．二级非线性极化率．三级非线性极化率…．并且χ（1）》χ（2）》χ（3）在一般情况下．每增加一次极化，χ值减小七八个数量级．由于入射光是变化的．其振幅为以极化强度也是变化的．根据电磁理论．变化的极化场可作为辐射源产生电磁波——新的光波．在入射光的电场比较小时(比原子内的场强还小)，χ（2），χ（3），等极小，P与E成线性关系为：P=χ（1）E。
新的光波与入射光具有相同的频率．这就是通常的线性光学现象．但当入射光的电场较强时．不仅有线性现象．而且非线性现象也不同程度地表现出来．新的光波中不仅含有入射的基波频率．还有二次谐坡．三次谐波等频率产生，形成能量转栘．频率变换．这就是只有在高强度的激光出现以后，非线性光学才得到迅速发展的原因．2．二级非线性光学效应虽然许多介质都可产生非线性效应，但具有中心结构的某些晶体和各向同性介质(如气体)，由于{10-3}式中的偶级项为零,只含有奇级项(最低为三级)，因此要观测二级非线性效应只能在具有非中心对称的一些晶体中进行，如KDP(或KD*P)、LiNO3晶体等。
第6章 非线性光学2013.12.11..
(2) 2 2 P0 1 ( E E 1 2)P0
由此可见，非线性极化波中包含了倍频、和频、差频、直流成 分。但实际上出现的频率要受能量守恒和动量守恒制约。 为区别起见，不同效应下的非线性极化率用不同符号表示：
第5章 三阶非线性光学效应
E1 E2 E3 (a)
E1 Es E3 E2 (b) Es＝E3
E1 Ei(0) Es(0) E2 (c)
Ei(L) Es(L)
图5.3 - 1 四波混频中的三种作用方式
第5章 三阶非线性光学效应
1） 三个泵浦场的作用情况 在这种情况下, 作用的光波频率为ω1 , ω2和ω3, 得到 的信号光波频率为ωs, 这是最一般的三阶非线性效应。 2） 输出光与一个输入光具有相同模式的情况 在这种情况下, 例如输入信号光为Es0=E30 减。 3） 后向参量放大和振荡 这是四波混频中的一种特殊情况, 其中两个强光波 作为泵浦光场, 而两个反向传播的弱波得到放大。 , ωs=ω3,
虚线：波阵面 入射光强分布
实线：光线 非线性媒质
Zf
自聚焦现象
第5章 三阶非线性光学效应
光强分布引起折射率变化还会造成光的群速度变 化, 图5.1 - 4表示一时域高斯光脉冲在非线性介质中传 播一定距离后, 脉冲后沿变陡的现象。 这是由于脉冲 峰值处折射率大, 光速慢， 而在后沿, 光强逐渐下降 , 光速逐渐增大, 以致后面部分的光“赶上”前面部分的 光, 造成光脉冲后沿变陡。 这就是光脉冲的自变陡现 象。
系数与光强有依赖关系，某些本来不透明的介质在强光作用下吸收
系数会变为零)
共振吸收媒质对光场呈现透明的效应： 光脉冲在媒质中传输时，形状和能量保持不变。
一、受激散射的基本光物理过程
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。
非线性光学晶体材料资料讲解
KDP特点: 具有优良的压电、电光和频率转换性能, 易生长, 得到广泛应用. KTP特点: 频率转换的”全能冠军”材料 • 碘酸盐晶体: -碘酸锂; 碘酸; 碘酸钾等 • 铌酸盐晶体: 铌酸锂; 铌酸钾; 铌酸锶钡等
三、光混频与光参量振荡
1. 光混频 入射两种不同频率的强光
E1 E10 cos1t E2 E20 cos 2t
E E1 E2
P ( E10 cos1t E20 cos 2t )
1 2
E102 ( 1
cos
21t
)
1 2
E 20 2
(
1
cos
2 2t
)
E10 E20[cos(1 2 )t cos(1 2 )t]
(3)紫外波段的频率转换晶体 偏硼酸钡(BBO)晶体: 倍频系数大, 倍频阈值功率高, 能在较宽的波段内实现 相位匹配, 激光损伤阈值高, 物理化学性能稳定. 三硼酸锂(LBO)晶体: 透光波段宽, 非线性光学系数大, 激光损伤阈值最高的 非线性光学晶体材料. LAP晶体: 非线性光学系数大, 紫外三倍频和四倍频转换效率高, 可制多频率 转换器.
0 (2) E10 cos(1t k1z)E20 cos(2t k2 z)
1 2
0
(2) (E120
E120 )
1 2
0
E (2) 2 10
cos[2(1t
k1z)]
1 2
0
E (2) 2 20
cos[2(2t
k2 z)]
0 (2)1020 cos[(1 2 )t (k1 k2 )z] 0 (2)1020 cos[(1 2 )t (k1 k2 )z]
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-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
MIT非线性光学讲义Nonlinear Optics IX
"Resonant term" → Translate diagram B
absorb a photon.
(1) ' −ω ρng ( t ) = ( ih ) −1 ∫t dt1Ang ( t − t1 ) Hng ( t1 )ρ(0) gg
o
t
For steady state,
(n + 1) ρmp (t ) =
−1 t (n) ' dt1 Amp ( t − t1 ) ∑ ρmn ( t1 ) H np ( t1 ) ih ∫to n
H' operates on bra state &
(3)
with
n) (n ) ρ( ( t ) = A ( t − t ) ρ 1 mn 1 o mn mn
l n
l t1 m
≡ H'lm ( t1 )
p t1 n
≡ H'np ( t1 )
Rules: 1. Include
ρ(0) mn ( to ) factor to account for initial condition.
2. Include a factor of -1 for each bra interaction. 3. For each interaction at time t j , integrate from to up to t j +1 , include a factor of (ih ) . 4.
⎛ 1 ⎝ 2
⎞ ⎠
.
"Antiresonant term" Translate diagram D
(1) ' +ω ρng ( t ) = −( ih )−1 ∫t dt1Ang (t − t1 ) Hng ( t1 )ρ(0) nn
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
光学非线性测量试验讲义
光学非线性实验讲义一实验目的1、了解光学非线性测量仪的基本原理2、学习使用非线性测量仪测定物质的非线性光谱，知道简单的谱线分析方法。
二实验仪器XGX-1型光学非线性测量仪三仪器的用途在信息技术高速发展的时代，用光子作为载体的研究日益受到重视，以非线性效应为特征的光电材料的研究和开发就应运而生。
我们熟悉，光和物质相互作用会产生光的吸收、反射、散射和发光等现象，其效应一般和光的强度无关，只和入射光的波长有关。
但当高强度的激光问世以后，光与物质的相互作用出现了过去无法看到的许多光学现象，如吸收系数、折射率及传输光频率都与作用光的强度有关，这种与作用光强度相关的现象就是光学非线性效应。
光学非线性效应又会引起一系列新的光学现象产生，如饱和吸收、反饱和吸收、双光子吸收、光学自聚焦、光学限制、光学共轭等现象。
具有上述性质的物质就是非线性光学材料，它在光学通信、光子计算机和动态成像等高新技术中都有广泛应用。
XGX-1型光学非线性测量，主要采用激光Z扫描技术，同时考虑饱和光谱测量方法，光限制测量方法及其光模式传输测量等技术，综合考虑设计而成，光路简单（采用单光束），测量灵敏度高，可同时测量样品的非线性折射率和非线性吸收系数激光斑信息和光学限制效应等。
该仪器采用多种光信号测量探测器（光电倍增管、桂光电池、CCD 等），可用脉冲激光、连续激光等作为光源，光电信号即可用仪器本身电箱测量，还可以外接积分器和锁相放大器等，实现机算机自动控制和测试，并配有多种附件，适用于液体、固体样品的测量。
四系统工作原理和结构3.1工作原理光与物质作用产生非线性的物理机制有：（1）引起介质内部电子云分布产生畸变而引起极化强度的改变，（2）光克尔效应引起分子的重新取向使折射率产生变化，（3）带电质点发生位移引起介质内密度的起伏，（4）光吸收产生升温引起折射率变化。
以上过程产生的非线性折射率是具有不同的响应时间的，在不同的情况下它们的贡献不同，这取决于入射激光作用的时间。
非线性光学讲义
非线性光学天津大学精仪学院光电一室2013-3-25非线性光学讲议授课对象：光电子技术专业高年级本科生课程要求：理解非线性光学的基本原理，掌握倍频、混频及光参量振荡等非线性光学频率变换的基本手段及其应用。
了解激光束的自作用、受激散射、光学相位共轭及光学双稳态的原理和实验装置。
学时：32 学分：2目录绪论 (1)第一章非线性光学极化率的经典描述 (5)1.1极化率的色散特性 (5)1.1.1介质中的麦克斯韦方程 (5)1.1.2极化率的色散特性 (6)1.1.3极化率的单位 (10)1.2非线性光学极化率的经典描述 (11)1.2.1一维振子的线性响应 (11)1.2.2一维振子的非线性响应 (13)1.3非线性极化率的性质 (16)1.3.1真实性条件 (17)1.3.2本征对易对称性 (17)1.3.3完全对易性对称性 (18)1.3.4空间对称性 (20)第二章 电磁波在非线性介质内的传播 (23)2.1介质中的波动方程一般形式 (23)2.2线性介质中单色平面波的波动方程 (23)2.3稳态情况下的非线性耦合波方程 (24)2.4瞬态情况下的非线性耦合波方程 (26)2.5门雷－罗威（Manley-Rowe）关系 (27)第三章 光学二次谐波的产生及光混频 (28)3.1光倍频及光混频的稳态小信号解 (28)3.2相位匹配技术 (29)3.3有效非线性系数 (43)3.4光倍频及光混频高转换效率时的稳态解 (46)3.5高斯光束的倍频 (47)3.6典型倍频激光器技术 (48)第四章 光学参量振荡及放大 (52)4.1引言 (52)4.2光学参量振荡的增益 (52)4.3光学参量振荡的阈值 (54)4.4光学参量振荡输出频率的调谐 (56)4.5典型光学参量振荡技术 (59)第五章 二阶非线性光学材料 (62)第六章 克尔效应与自聚焦 (65)6.1引言 (65)6.2克尔效应 (65)6.3自聚焦 (70)第七章 受激散射 (73)7.1引言 (73)7.2受激喇曼散射 (73)7.3受激布里渊散射 (79)第八章 光学相位共轭 (81)8.1相位共轭的特性 (81)8.2获得相位共轭波的非线性光学方法 (81)8.3非线性光学相位共轭的应用 (82)第九章光学双稳态 (83)9.1光学双稳态的理论 (83)9.2光学双稳态器件 (85)9.2光学双稳态器件的应用 (85)绪论非线性光学是一门光电子技术专业的专业基础课程，对于研究生深造和从事相关光电子专业的工作奠定理论基础。
《非线性光学》PPT课件
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
非线性光学及其现象ppt课件
• 有机非线性光学材料具有无机材料所无法比拟 的优点：
• (1)有机化合物非线性光学系数要比无机材料高 1—2个数量级；
• (2)响应时间快；
• (3)光学损伤阀值高；
• (4)可以根据要求进行分子设计。
• 但也有不足之处：如热稳定性低、可加工性不 好，这是有机NLO材料实际应用的主要障碍。
• 典型的有机二阶非线性光学材料包括：
• 非线性光学材料的实用化应具备以下几个 条件；
• ①非线性极化率较大，转换率高； • ②光损伤阈值高； • ③光学透明而且均一的大尺寸晶体； • ④在激光波段吸收较小， • ⑤易产生位相匹配， • ⑥化学及热稳定性较好，不易吸潮 • ⑦制备工艺简单，价格使宜。
• 高分子非线性光学材料的特点概括为以下几 点：
非线性光学材料的分类
• 氧化物和铁电晶体(如铌酸锂、磷酸二氢钾 和偏硼酸钡等)、
• Ⅲ--Ⅳ族半导体(如砷化镓等) • 有机聚合物材料。
• 有机非线性光学材料
• 有机晶体在合成和生长方面的特性使这类 材料最有机会成为可分子设计的光电功能 料．而且，有机材料在快速非线性光学响 应、大尺寸单晶生长 三次谐波产生等方面 都极富吸引力．
非线性光学及其现象
• 物质在强光如激光束的照射下，其光学性 质发生了变化．而这种变化又反过来影响 了光束的性质。研究这种光与物质的相互 作用就是非线性光学的内容。
• 非线性光学效应来源于分子与材料的非线 性极化。
• 在电磁场作用下物质中的电荷位移能力称 为电极化率。当较弱的光电场作用于介质 时，介质的极化强度P与光电场E 成线性关 系：
的激光来照射光折变材料，只需足够长的
时间，也会产生明显的光致折射率变化。 一束弱光可以使电荷—个个地移动．从而 逐步建立起强电场。后者指通过光折变效
(非线性光学课件)第三章 二阶非线性光学效应
E3(z) E1(0) tanh K E1(0) z
☆
现在倍频效应的应用已经比较成熟，
如常把Nd:YAG激光器发出的波长1.06mm的红外激光
变换为波长532nm的绿色倍频激光。
14
☆
假设晶体对这两种光都没有吸收， 讨论晶体出射面的倍频光强度和倍频转换效率，
即倍频光功率与入射光功率之比。
分析两种情况研究光学倍频效应： 一种是不消耗基频光的小信号近似情况； 另一种是消耗基频光的高转换效率情况。
☆
P3 ( L) P1(0)
I3 ( L) I1(0)
8 2d 2L2 0c3n2n 2
P1(0) sin c2 k L
S
2
（5）倍频效率正比于基频光的功率密度， 可以通过聚焦基频光的办法来提高倍频效率。
26
实验图
远离相位匹配条件
Input beam
SHG crystal
Output beam
30
d
E3 (z) dz
i
2d
cn
E12 (z)
E1(z) 2 E3(z) 2 E1(0) 2
☆
d
E3(z) / E1(0) dz
K
E1(0) 1
E3(z) / E1(0) 2
两边分离变量，再积分求解，得到（附录3-6）
E3(z) E1(0) tanh K E1(0) z
E1(z) E1(0) 1 tanh2 K E1(0) z E1(0) sech K E1(0) z
☆
可以得到（附录3-3）
E3 (L) 2 E3 (L)E3*(L)
4 2d 2L2
c2n2 2
E1 (0)
4
sin2 k L / 2 k L / 22
非线性光学——第1章
假设非谐项 ax 2 很小，利用微扰理论有
xx x
1
2
x
3
根据极化强度定义，单位体积内的电偶极矩为
P Nqx
利用线性方程可得到一阶解
x x 1 x 2 c.c.
1 1 1
q E m i ii t 1 x i 2 e 2 0 i ii
代入上式，有
nm p s
s
i
s s s s C C H C n m m C H n
上式右边可用密度矩阵表示 1 nm H n m n Hm i 1 ˆ H, i
非线性极化率的微扰理论
1
线性极化率张量
将光场电矢量按付立叶级数展开
E r , t E k , exp ik r it dk d
对线性极化强度两边做付立叶变换得
1 PL k , 0 k , E k ,
将密度矩阵对时间求微分有
nm
s s s dCn dCm dps s s s Cm Cn ps Cm Cn dt dt dt s s
其中，上式右边括号内的式子可表示为
s dC 1 s s n Cm Cm H n Cs dt i s dCm 1 s 1 s s C Cn H m C Cn HmCs dt i i s n
n阶极化率张量
n
k k1 k 2 k n , 1 2 n
第六讲-非线性-光学
它将产生第四列光波
背向四波混频组态是一种形式简单．又有实际应用价值的 四波混频形式，由它可方便地产生出信号光的相位共扼波。如 果四列波的频率相同，其波矢又满足 k2=-k3，k4=-k1，那么这 种四波混频称为简并背向四波混频。
由
产生出频率为
的光场
可见如果2、3光束是平面波，l是信号光，那么由背向 四波混频组态所产生的第四列波4是信号光1的相位共扼波。 因为波4的复振幅E4正比于信号光El的复共轭。
光学现象的耦合波方程。
非线性光学介质由如下物质方程描述
按照电磁场的麦克斯韦方程组，通过如下运算
给出
非线性麦克斯韦波方程
作为驱动项，起 着新波源的作用。
如果PNL(t)随时间以指数函数exp(iwt)形式受化．那 么稳态光场E(r)也将以exp(iwt)形式变化，故可将方程中 时间因子消去，成为
-------约化波方程或稳态波方程。 对于各向同性均匀光学介质，方程可化简为：
则称频率下转换。
如果泵浦光
使信号光(
与信号光
同时输入，输出光中不仅
，
)得到放大，同时还产生出空闲波
这称为参量放大。 如果进一步对这种参量放大器提供适当的正反馈，那么 仅在一束泵浦光的照射下，也会产生出 光，这称为参量振荡。 和 的
§6-3
三阶非线性光学
当光学介质只有中心对称性时，二阶非线性极化不再 出现。这是由于在反演操作下，矢量 改变符号，
设一列沿z方向传播的单色光波，其波场为
波场的复振幅，是空间缓慢变化部分
因此上式可看作是平面波的近似表示。 其中复振幅A(r)描述了与平面波的偏离。这可能是 由于波在传播过程中的畸变、传播中的衍射也可能是由 于光束中携带了空间信息，总之复振幅含有振幅、相位 和偏振诸信息。
- 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)。
非线性光学天津大学精仪学院光电一室2013-3-25非线性光学讲议授课对象：光电子技术专业高年级本科生课程要求：理解非线性光学的基本原理，掌握倍频、混频及光参量振荡等非线性光学频率变换的基本手段及其应用。
了解激光束的自作用、受激散射、光学相位共轭及光学双稳态的原理和实验装置。
学时：32 学分：2目录绪论 (1)第一章非线性光学极化率的经典描述 (5)1.1极化率的色散特性 (5)1.1.1介质中的麦克斯韦方程 (5)1.1.2极化率的色散特性 (6)1.1.3极化率的单位 (10)1.2非线性光学极化率的经典描述 (11)1.2.1一维振子的线性响应 (11)1.2.2一维振子的非线性响应 (13)1.3非线性极化率的性质 (16)1.3.1真实性条件 (17)1.3.2本征对易对称性 (17)1.3.3完全对易性对称性 (18)1.3.4空间对称性 (20)第二章 电磁波在非线性介质内的传播 (23)2.1介质中的波动方程一般形式 (23)2.2线性介质中单色平面波的波动方程 (23)2.3稳态情况下的非线性耦合波方程 (24)2.4瞬态情况下的非线性耦合波方程 (26)2.5门雷－罗威（Manley-Rowe）关系 (27)第三章 光学二次谐波的产生及光混频 (28)3.1光倍频及光混频的稳态小信号解 (28)3.2相位匹配技术 (29)3.3有效非线性系数 (43)3.4光倍频及光混频高转换效率时的稳态解 (46)3.5高斯光束的倍频 (47)3.6典型倍频激光器技术 (48)第四章 光学参量振荡及放大 (52)4.1引言 (52)4.2光学参量振荡的增益 (52)4.3光学参量振荡的阈值 (54)4.4光学参量振荡输出频率的调谐 (56)4.5典型光学参量振荡技术 (59)第五章 二阶非线性光学材料 (62)第六章 克尔效应与自聚焦 (65)6.1引言 (65)6.2克尔效应 (65)6.3自聚焦 (70)第七章 受激散射 (73)7.1引言 (73)7.2受激喇曼散射 (73)7.3受激布里渊散射 (79)第八章 光学相位共轭 (81)8.1相位共轭的特性 (81)8.2获得相位共轭波的非线性光学方法 (81)8.3非线性光学相位共轭的应用 (82)第九章光学双稳态 (83)9.1光学双稳态的理论 (83)9.2光学双稳态器件 (85)9.2光学双稳态器件的应用 (85)绪论非线性光学是一门光电子技术专业的专业基础课程，对于研究生深造和从事相关光电子专业的工作奠定理论基础。
本门课程的前期课程是物理光学、电动力学以及量子力学等基础学科。
非线性物理学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学科。
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。
非线性光学是现代光学的分支学科，基于自发辐射的普通光源的光学称为“传统光学”；基于受激辐射的激光光源的光学称为“现代光学”。
非线性光学与线性光学区别及其分类下面我们简单对比一下线性光学和非线性光学的不同，从而对非线性光学有一个初步的认识： 激光器问世以前，人们对于光学的认识主要限制于线性光学:1)光束在空间或介质中的传播是相互独立的，几个光束可以通过光束的交叉后继续独立的传播而相互不受其他光束干扰；2)光束在传播过程中，由于衍射、折射和干涉等效应，光束的传播方向发生变化，空间分布有有所变话，但是光频率没有变；3)介质的主要参数，如折射率、吸收系数等，与入射光强没有关系，只与频率有关；但是由于激光出现以后，人们对光学的认识发生了重要的变化。
1) 一束激光经过介质后，一束激光会出现一束或几束很强的新频率的光束，频率发生变换；2) 相互作用后，强度相互传递，一束光增强，另一束光强度减弱非线性光学与线性光学的主要区别 线性光学非线性光学 光在介质中传播，通过干涉、衍射、折射可以改变光的空间能量分布和传播方向，但与介质不发生能量交换，不改变光的频率一定频率的入射光，可以通过与介质的相互作用而转换成其他频率的光(倍频等)，还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强的光(受激拉曼散射等)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(三波与四波混频)光与介质相互作用，不改变介质的物理参量，这些物理参量只是光频的函数，与光场强度变化无关光与介质相互作用，介质的物理参量如极化率、吸收系数、折射率等是光场强度的函数(非线性吸收和色散、光克尔效应、自聚焦)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、各种干涉仪开关)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)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……。
下图以倍频与四波混频为例说明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交换，介质的物理参量与光场强度有关。
例如，非线性吸收(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。
下图以饱和吸收、光克尔效应与自聚焦为例说明主动非线性光学效应。
非线性光学特点及研究内容反映了介质在外场作用下的响应及对外场的反作用。
研究非线性光学现象的出发点，是研究介质的非线性极化规律，Bloembergen给出定义为：凡是介质对外加电磁场的响应不是外加电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。
主要研究内容两大类：1)光在非线性介质中传播时由于和介质发生非线性作用自身所受的影响；2)介质本身在光作用下的性质，由此可以推断介质内部的结构及其变化－－非线性光谱学。
具体内容：z非线性电极化率的经典、半经典理论，以及电极化率的性质z光波在非线性介质中传播的基本方程z二阶非线性光学效应：二次谐波产生（SHG）、和频产生（SFG）、差频产生（DFG）、光学参量振荡（OPO），光学参量放大（OPA)z三阶非线性光学效应：三倍频(THG)、光克尔效应(OK)、四波混频(FWM)、双光子吸收(TPA)、饱和吸收(SA)、受激喇曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)、自聚焦(SF)、相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)z瞬态相干光学效应z非线性光学领域中的分支内容：非线性光学相位共轭技术、光折变非线性光学、超短光脉冲非线性光学，光纤非线性光学非线性光学的发展非线性光学的发展简史1．非线性光学初期创立阶段（1961～1965）1961年，Franken实验发现红宝石激光的倍频；（1961年，Franken首次观察到SHG现象，这个实验揭开了非线性光学研究史上的第一页，尽管石英材料是正单轴晶体，在该实验中相位匹配条件并未满足，其转换效率很低（10－8），但SHG 效应的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，具有重要意义。
）1962～1964年，发现受激拉曼散射、受激布里渊散射；（1962年，Woodbury发现受激喇曼散射（SRS），最早使用的材料是硝基苯，随后在大量介质材料（气、液、固）中均发现，至今仍是一个热门研究课题（光学喇曼放大器FRA），以后又发现了SBS）1962～1965年，发现和频、差频、参量振荡、四波混频；（最早发现的三个是SHG、SRS和和频）1963～1965年，发现饱和吸收、反饱和吸收、双光子吸收；1964～1966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 Opticas》一书。
1965年，Butcher推出“Nonlinear Optical Phenomena”一书。
1962年，Amstrong等在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（ABCD 论文），至今仍有一定参考价值。
2．非线性光学发展成熟阶段（1965～1985）1970～1985年，实现半导体量子阱、超晶格，发展半导体非线性光学；1975～1984年，实验发现光学双稳态和光学混沌，推动光计算研究；（1975年贝尔实验室的McCall、Gibbs和Venkatesan从置于法布里－珀罗干涉腔中的钠蒸气中首次测得了光学双稳态效应，以后的短短几年中，在气体、液体以及半导体等许多材料中都观察到了光学双稳态）1984～1987年，研究光纤中的非线性光学，实现光孤子激光器；（主要是理论上，包括时间域的孤子和空间域的孤子，亮孤子、暗孤子和时空孤子等；Mollenauer 和Stolen发明了第一个孤子激光器）1985年，实验获得光学压缩态，促进量子光学的发展；（首先是由贝尔实验室的Slusher等于1985年在钠蒸气中采用近简并四波混频方法获得）1984年，沈元壤出版《1he Principles 0f Nonlinear Optics》一书。
（与非线性光学研究的蓬勃发展和深入相配合，在这20年中，大量的非线性光学专著得到出版，其中关于非线性光学的基本原理和研究工作比较全面总结的则首推Y.R.Shen的“The Principles of Nonlinear Optics”）非线性光学材料在这20年有了重大进展，中国科学家在无机非线性晶体的研究中取得的成绩令世人瞩目。
3．非线性光学初步应用阶段（1985年～今）1985~1987年，新型非线性光学晶体BBO和LBO的发现，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；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。