MIT非线性光学讲义Nonlinear Optics VI
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-绪论-第一章
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"
非线性光学(NonlinearOptics)非线性极化率张量(Nonlinear
• 为了找出 中C3和 为ω的AC电场驱动下电子运动方程的近似解。
acceleration 驱动电场:
电子位移: 且满足:
damping
restoring force
尝试解
二、光学非线性的物理起源
• 此时单位时间内减少的光子数目为
,即净吸收速率。
• 随着光束在介质中的传播,其强度逐渐减小:定义z处的光强为I(z),dz内光强的变化 为dI ,此时有 。 • 由于光束强度定义为单位时间在单位面积上通过的能量(W m-2),有 ,即 。
• 进一步得到
。
二、光学非线性的物理起源
Resonant nonlinearities 共振非线性
Non-resonant nonlinearities 非共振非线性
• 进一步得到
。 • 此时在频率2ω处的偏振为 • 另外在频率2ω处的偏振由频率为ω的驱动电场转换而来,可得到 。
。
• 由上面三式,最终得到
的非简谐项C3成正比。 Miller’s Rule
,即二阶非线性极化率与运动方程中
•当ω趋近于ω0时,
三、二阶非线性
晶体对称性效应 • 比如,中心对称晶体 (centrosymmetric)具有反转对称性,在施加单一电场 时,非线 性偏振 况不变。 的分量可表示为 ,即电场方向反转时情
• 另外,由晶体的反转对称性,在场方向不变而反转晶体时,所有的物理过程相同。
在晶体的坐标轴变化下,所有的 和 的分量变化符号,从而得到
• 在光波的AC电场驱动下,电子在正周期的位移要小于负周期的位移。
非线性光学课程教学大纲
非线性光学课程教学大纲《非线性光学》课程教学大纲一、《非线性光学》课程说明(一)课程代码:08131102(二)课程英文名称:Non-linear Optics(三)开课对象:应用物理学专业本科生(四)课程性质:非线性光学是应用物理学专业的专业选修课程之一,它是一门介于基础与应用之间的学科,随着实验与理论研究的深入,它儿乎在所有科学领域中都获得广泛的应用。
本课程除了讨论非线性光学的理论基础外,还主要介绍在非线性介质中产生的各类非线性光学现象,并且注意介绍与光通信及光电子有关的最新进展,是通信及其光学各专业学生必须具备的理论基础。
(五)教学目的:了解有关非线性光学的基本现象及其物理描述,为学生今后在本领域或相关领域工作提供理论基础。
(六)教学内容:本课程讲述了非线性光学的基本原理和概念。
主要内容包括二阶和三阶的各种非线性光学现象,并介绍了在激光态非线性光学、光学双稳性、光学混沌、自聚焦、光孤子和全光开关等方面的最新发展和应用。
(七)学时数、学分数及学时数具体分配学时数:36学时分数:2学分学时数具体分配:教学内容讲授实验/实践合计第一章绪论2 2第二章介质的非线性极化4 4第三章光学三波耦合过程4 4第四章光学四波耦合过程4 4第五章非线性折射率效应8 8笫六章非线性光散射6 6笫七章非线性光吸收与光折射8 8合计36 36 (八)教学方式以课堂讲授为主要授课方式(九)考核方式和成绩记载说明考核方式为考试。
严格考核学生出勤情况,达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格。
综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定,平时成绩占40% ,期末成绩占60%。
二、讲授大纲与各章的基本要求第一章绪论教学要点:通过本章学习,使学生了解研究非线性光学的意义和非线性光学的发展史及发展趋势,知道非线性光学的应用领域。
1、了解研究非线性光学的意义。
2、了解非线性光学的发展及其发展趋势。
3、明确非线性光学的应用领域。
教学时数:2学时教学内容:第一节研究非线性光学的意义第二节非线性光学的发展第三节非线性光学的应用考核要求:1、非线性光学的分类(识记)2、非线性光学的应用(领会)第二章介质的非线性极化教学要点:要求学生掌握光在不同非线性介质中传播时波动方程,掌握极化率的定义、性质和物理意义,重点掌握极化率实部和虚部的关系,以及与极化率实部和虚部相对应的折射率和吸收系数之间的关系。
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。
非线性光学的理论基础
非线性光学的理论基础非线性光学(Nonlinear Optics)是研究光在非线性介质中的传播和相互作用的科学。
相对于线性光学而言,非线性光学永远都是需要考虑的,因为非线性光学效应中产生的二次谐波、三次谐波等高次谐波能够被广泛应用于各种实际的光学系统中。
非线性光学是由电场强度引起的,因此电场强度与电子、离子密度和极化程度有关。
传统的线性光学理论是建立在电场强度小的假定之上,因此可以忽略介质的非线性性质。
而非线性光学理论需要考虑电场强度大的情况,其是建立在相对论物理和量子力学理论基础之上的,并且有时需要数值模拟得到更精确的结果。
非线性光学中最重要的一个概念是极化率,它是介质的响应函数,表示单位电场强度下单位体积(或长度)内极化密度的增量。
在线性光学中,介质的极化率是常数,而在非线性光学中,极化率则会随着电场强度的变化而变化。
如果考虑二次非线性光学效应,则极化率是二阶张量,反映了各种各样的对称性和不对称性。
非线性光学过程的强度非常大,往往需要考虑空间分散和时间反应的影响。
这些效应都归结为Maxwell方程的非线性形式,通常称为非线性Maxwell方程。
非线性Maxwell方程是非线性光学的核心方程,其解是非线性光学效应的理论预测。
非线性光学效应具有丰富的物理现象,它们可以分为光学非线性效应和击穿效应两类。
在光学非线性效应中,最常见的是二次和三次非线性效应。
二次非线性效应包括二次谐波产生、光学混频、光学克尔效应等;而三次非线性效应则包括自聚焦、自相位调节、自作用、散射等。
击穿效应则是指能级结构发生改变而引起强电场的效应,产生的现象有光致击穿、电致击穿、阈值击穿等。
非线性光学的理论基础不仅仅依赖于Maxwell方程和极化率的性质,还与量子力学的一些基本原则有关。
对于非线性光学效应的研究,量子力学的一个最重要的概念是相干态(Coherent states)。
相干态是量子态的一种,它是由一个连续的波函数表示的,可以看成是经典光学中平面波的量子版本。
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
非线性光学(3)
能流关系
非线性光学 Nonlinear Optics 第三章 胡巍 目录 倍频过程
三波耦合方程
同样变化: n1 c ∗ ∂ (2) ∗ ∗ −i∆kz E E1 = iχef f E3 E2 E1 e ω1 1 ∂z n2 c ∗ ∂ (2) ∗ ∗ −i∆kz E2 = iχef f E3 E1 E2 e E ω2 2 ∂z 得到 n1 ∂ n2 ∂ |E1 |2 − |E2 |2 = 0 ω1 ∂z ω2 ∂z n1 n2 |E1 |2 − |E2 |2 = Const ω1 ω2 Sω 1 S ω 2 − = Const ω1 ω2 Sω 1 Sω 3 + = Const, ω1 ω3 Sω 2 S ω 3 + = Const ω2 ω3
于是: ∂ E3 = ∂z ≡ 注意: . (2) χef f = e ˆ3 · χ(2) (ω1 , ω2 ) : e ˆ1 e ˆ2 = χ(2) (ω1 , ω2 ). .ˆ e3 e ˆ1 e ˆ2 =
µ 2 iω3 e ˆ3 · χ(2) (ω1 , ω2 ) : e ˆ1 e ˆ2 E1 E2 ei∆kz k3 c2 iω3 (2) χ (ω1 , ω2 )E1 E2 ei∆kz n3 c ef f
ManleyRowe关系–能流
守恒 倍频的耦合方程和相 位匹配
相位匹配
相位匹配的概念
非线性光学 Nonlinear Optics 第三章 胡巍 目录 倍频过程
三波耦合方程
小信号情况, 当Eω 为常数时,可以直接积分得到 |E (2ω, z )|2 = sin(∆kz/2) ω 2 (2) 2 |χef f | |E (ω, 0)|4 z 2 (∆kz/2) c2 n2 2
非线性光学课件第二章
A A e . ik1k2 k3 z 12
慢变包络近似:
d 2 A3 dz 2
=
k3
dA3 dz
.
波方程可以进一步简化为
波矢失配
dA3 dz
= 2ideff 32
k3c2
A1A2eikz .
k k1 k2 k3
两个附加的耦合振幅方程:
dA1 dz
=
2ideff 12
k1c2
A2 A3*eikz .
慢变包络近似下, E% 0.
E% 0.
所以波动方程可以简化为:
2E%
1
2E%
1
2P% .
c2 t2 0c2 t2
或者表示为
2E% 1 2D% 0. c2 t 2
所以波动方程可以简化为:
2E%
1
2E%
1
2P% .
c2 t2 0c2 t2
或者表示为
2E% 1 2D% 0. c2 t 2
将电极化强度 P%,分成线性和非线性部分得到:
非线性光学相互作用的波方程描述
非线性光学介质波方程 二次谐波产生
和频产生的耦合波方程 差频产生和参量放大
相位匹配
光参量振荡器
准相位匹配 Manley-Rowe 关系 和频产生
聚焦光束的非线性光学 相互作用 界面非线性光学
非线性光学介质波方程
和频产生
麦克斯韦方程:
D% %,
B% 0, E% B%,
一般情况下,Type I比typeII更容易实现相位匹配,对于
TypeII当 1 2 更容易实现相位匹配。
相位匹配实现的常用手段: 角度调谐:
负单轴晶体情况下实现二次谐波的角度调谐配置图。
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)。
非线性光学课件第一章
极化率表示:
电极化强度:
P 1 j 0 1 j E j Nex 1 j .
可以得到:
1
j
N e / m
2
0 D j
.
极化率表示:
三阶非线性极化率为:
3 ijkl q , m , n , p
ijk 2 , 2 , 1 E j 2 Ek 1
2
2 0 ijk 2 , 1 , 2 E j 1 Ek 2 .
2
jk
二次谐波产生:
P i 3 0 ijk 2 , 1 , 1 E j 1 Ek 1 .
n
电极化和电场关系表达式:
Pi m n 0 ijk m n , n , m E j n Ek m .
2 jk
nm
2 ijk m n , n , m
表示二阶非线性极化率张量的分量。
和频产生:
2 Pi 3 0 ijk 2 , 1 , 2 E j 1 Ek 2 jk
2 jk
nm
我们需要确定六个张量
2 2 2 ijk 1 , 3 , 2 , ijk 1 , 2 , 3 , ijk 2 , 3 , 1 , 2 2 2 ijk , , , , , , 2 1 3 ijk 3 1 2 ijk 3 , 2 , 1
对于非共振激发的极化率的数量级为:
1 2 3
1,
1 2
/ Eat 1.94 10
12
m /V,
/ Eat 3.78 1024 m2 / V 2 .
非线性光学 (Nonlinear Optics)
Robert W. Boyd
• Yujie Ding: B.S., Electronic Sciences, Jilin University; M.S., Electrical Engineering, Purdue Univ.; Ph.D.,Electrical Engineering, Johns Hopkins Univ.; now professor at Lehigh Univ..
• 其中虚线代表的是偏振
和电场 之间的线性关系,而实线代表非线性关系。
(a)在小电场情况下,偏振与电场的时间变化接近。 (b)电场强度加大后,偏振响应产生了非对称性,在负电场情况下具有较大的偏离。 • 以上这种失真的输出在电路理论中可以解释为高阶简谐成份的出现。
二、光学非线性的物理起源
Non-resonant nonlinearities 非共振非线性 •由 ,令 ,有 。 • 即在 不为零时,频率为ω的入射光场在介质中产生了频率为2ω的出射光场。
• 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。
•由
,此时光强需要达到1019 W m-2,可以由高功率激光来实现。
• 实际上并不需要上述的高光强,因为大量原子的微弱非线性效应可以叠加在 一起产生可观的宏观非线性效应 – 需要相位同步即“phase matching”条件。
原子跃迁的光谱线型函数
二、光学非线性的物理起源
Resonant nonlinearities 共振非线性 • 同样可以得到介质的单位时间内添加到光束中的受激发射光子数目:
• 此时单位时间内减少的光子数目为
,即净吸收速率。
• 随着光束在介质中的传播,其强度逐渐减小:定义z处的光强为I(z),dz内光强的变化 为dI ,此时有 。 • 由于光束强度定义为单位时间在单位面积上通过的能量(W m-2),有 ,即 。
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
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Define L ≡
−1 1 (0) Lρ(1) μ ngEe −i ωt ρ(0) ng = −(ih ) gg − ρnn 2 1 (0) (0) − (ih )−1 μ ng E*eiω t ρgg − ρnn 2 . ⎧ 1 (1) ρng = L−1 ⎨− (ih )−1 μ ng Ee−i ωt ρ(0) − ρ(0) gg nn ⎩ 2 1 (0) (0) ⎫ ⎬ − (ih )−1 μ ng E*eiω t ρgg − ρnn ⎭. 2
149
⎛ 1⎞ ⎜ ⎜ Δω + i T ⎟ ⎟ ⎝ 2⎠ 1 ⎛ I⎞ 1 + Δω 2 + 2 ⎜ ⎟ ⎟ T2 ⎜ I ⎝ s⎠ .
(
(0) ) (ρ(0) gg − ρnn )
−1
.
2 / T2
χ" ω χ'
ω ng
population inversion
145
Nonlinear Optics
Consider
'
χ = χ' + iχ " ,
2 ω ng − ω Nμ (0) (0) χ = ρgg − ρnn 2 2 ε oh ω ng − ω + (1 / T2 )
II. For
χij tensor,
Pi = ε oχij E j
i Pi = N ρng μ ign + c. c.
(
)
)(
-1 N i j 1 (0) − χij = μ gnμ ng ω ng − ω − iT 2 ρ(0) gg − ρnn ε oh .
(
)
III. For isotropic medium, Due to symmetry consideration,
146
Nonlinear Optics
⇒ ⇒
P is parallel to E,
χ is scalar.
Assume 1/3 atoms will have their dipole transition moments parallel to E field,
χ=
1 N −1 -1 (0) μ gnμ ng ω ng − ω − iT2 ρgg − ρ(0) nn 3 ε oh -1 1 N 2 −1 ≅ μ ω ng − ω − iT2 3 εo h
0 det 0 0
− No / T1
Δ ω + i / T2 2iC
C No * C = (Δω + i / T2 )C = n T1 −1 / T1
∴
ρng
No (Δω + i / T2 )C n T1 = =− ⎡⎛ 2 1 ⎞ 1 d 4 2⎤ ⎢⎜ ⎜ Δω + T 2 ⎟ ⎟T +T C ⎥ ⎥ ⎢ ⎝ ⎣ ⎦ 2⎠ 1 2 ⎛ 1⎞ 1 ⎟ Δ ω + i μ ng Ee−iω t No ⎜ ⎜ ⎟ T2 ⎠ 2 h ⎝ =− 2 ⎞ 1 ⎛ 1 Δω 2 + 2 ⎜1 + 2 μ ng E T1T2 ⎟ ⎠ T2 ⎝ h .
(
)(
)
(
)
with
(0) ρ(0) gg = 1, ρnn = 0 . ( Eng >> kT )
Oscillator Strength for g → n transition,
f ng ≡
2 mω ng μ ng 3he2
2
with dimensionless unit.
(with summation over 3 dimensions
Ωng − ω = ωng − ω − i / T2 = Δω − i / T2
−Ω gn − ω = ωng − ω + i / T2 = Δω + i / T2
148
Nonlinear Optics
⇒
Δ ω − i / T2 0 C det 0 Δω + i / T2 C* −2 iC* 2iC −1 / T1 ⎡⎛ ⎤ 1⎞ 1 4 2⎥ 2 ⎢ ⎜ ⎟ = − ⎜ Δω + 2 ⎟ + C =d T T T ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ 2 1 2
With I =
1 2 1 Is = 2
P = N μ = N ρngμ gn + c. c .
2 NN o χ=− μ ng hε o
ε 2 E , μ ε μ −2 1 μ h T1T2 ,
(
)
* If I << Is , we are back to the results obtained from perturbation theory.
with •
1 ' Hng = − μ ng Ee −iωt + E*ei ωt 2 1 ' Hgn = − μ gn Ee−iω t + E*eiωt 2
neglect antiresonant terms.
[ [
] ]
•
ρng ~ e−iω t ρgn ~ e iω t
steady state
•
Assume initial population
There is no initial polarization,
(0) ρng = ρ(0) gn = 0 .
II.
Solve for
(1) ρng to first order for induced polarization.
P = N μ = N ρngμ gn + ρgn μ ng = N ρngμ gn + c. c. .
Nonlinear Optics
§ Linear Polarization (with density matrix)
• • I. solved by perturbation theory solved for
(1) ρng (for induced polarization) (0) (0) ρnn , ρgg .
∂ + iΩng . ∂t
(
)
( ( (
) ) )
144
Nonlinear Optics
(1) ρng = − (ih )−1(−iω + iΩ ng )
−1
− (ih )−1 iω + i Ωng
2 − 1 μ ng E − iω t (0) = Ω ng − ω e ρgg − ρ(0) nn 2h * −1 μ ng E iω t (0) (0) + Ω ng + ω e ρgg − ρnn 2h .
(
) (
)
,
1 / T2 Nμ (0) χ = ρ(0) − ρ nn 2 2 ε oh gg ω ng − ω + (1 / T2 )
"
2
(
) (). NhomakorabeaIn the limit of
χ << 1 ,
1/ 2
n = (1 + χ )
≅ 1+
= n' + in" .
eikz = e
i nω z c
1 1 χ = 1 + χ + iχ " 2 2
III. Consider steady state response,
(
) (
)
(1) = hΩ ρ + H ′ ρ (0) − ρ (0) H ′ & ng ih ρ nn ng ng ng ng gg
(1) + iΩ ρ = (ih )−1 H ′ ⎛ 0) (0)⎞ & ng ρ ⎜ρ( gg − ρ nn ⎟ ng ng ng
(
)
−1 1
1 (0) (0) μ ng Ee−iω t ρgg − ρnn 2
(0) μ ng E*e iωt ρ(0) gg − ρnn
(
)
(
)
(
)
(
)
.
(
)
(
)
Neglect anti-resonant term, recall Ωng ≡
(1) −1 ρng =( ω ng − ω − iT2 )
∑ f ng = 1)
n
χ=
Nf nge 2 2mω ng εo
(ω ng − ω − iT2−1) .
−1
Saturation in Two Level Atoms
If population disturbance is too large, we can not apply perturbation theory , ⇒ consider saturation.
⎝ ⎠
(1) + iΩ ρ = −(ih )−1 μ ⎡ Ee − iωt + E*eiωt ⎤⎛ 0) − ρ (0)⎞ & ng ρ ⎜ρ( gg nn ⎟ ⎢ ⎥ ng ng ng ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ 2
1
(1) ρng oscillates at both ω and -ω frequencies.
−1 ω ng − iT2 ,
(0) (0) − ρnn (ρgg ).
−1 μ ng E − iω t
2h
⎡
e
Recall P = N
(
(1) ρng μ gn + c. c . = ⎢ ε oχ Ee−iω t + c. c.⎥ . ⎣ ⎦
)
1 2
⎤
χ=
N −1 μ ngμ gn ω ng − ω − iT2 εo h
N ≡ ρnn − ρgg