非线性光纤光学第一章-绪论PPT课件
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光纤光学课件第一章
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 1
光纤光学 第一章
光纤传输的基本理论
W-C Chen
幻灯片 2 §1. 前言
Foshan Univ.
低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。光纤在工程上的 使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。
NA ni sinim n12 n22 n1 2
*相对折射率差:
(n12 n22 ) / 2n12
约束光： z zc
*折射光: z zc
幻灯片 14 *渐变折射率分布：
子午光线：渐变折射率分布
n(r) n1 1 2(r / a)2 1/2 n2
0ra ra
*光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。 轨迹曲线在光纤端面投影线仍 是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。
波动理论的数学基础——麦克斯韦方程：
H D/ t J
E B / t
D
B 0
幻灯片 20 从麦克斯韦方程组出发导出一般波导介质中电场的波动方程
2E
(E
)
E
2E t 2
J t
由
E
B
E
t
B
( H )
t
t
根据恒等式关系，有
10
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 26
模式的基本性质
当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时,须求解波导场方程。其方法是首先求出
纵向场分量 Ez 和 Hz,然后利用纵横关系式求出场的横向分量。求出 Ez 和 Hz，再通过
麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。
幻灯片 1
光纤光学 第一章
光纤传输的基本理论
W-C Chen
幻灯片 2 §1. 前言
Foshan Univ.
低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。光纤在工程上的 使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。
NA ni sinim n12 n22 n1 2
*相对折射率差:
(n12 n22 ) / 2n12
约束光： z zc
*折射光: z zc
幻灯片 14 *渐变折射率分布：
子午光线：渐变折射率分布
n(r) n1 1 2(r / a)2 1/2 n2
0ra ra
*光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。 轨迹曲线在光纤端面投影线仍 是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。
波动理论的数学基础——麦克斯韦方程：
H D/ t J
E B / t
D
B 0
幻灯片 20 从麦克斯韦方程组出发导出一般波导介质中电场的波动方程
2E
(E
)
E
2E t 2
J t
由
E
B
E
t
B
( H )
t
t
根据恒等式关系，有
10
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 26
模式的基本性质
当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时,须求解波导场方程。其方法是首先求出
纵向场分量 Ez 和 Hz,然后利用纵横关系式求出场的横向分量。求出 Ez 和 Hz，再通过
麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。
光纤光学PPT课件02
按材料分：
石英 纯度高, 通信 塑料 成本低,损耗大 红外光纤 极低理论损耗,用于跨洋通信等
特种光纤：
保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
1-2 光纤光学的基本方程
光纤光学的研究方法
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 研究内容
模式的场分量
模式场分布由六个场分量唯一决定： Ex Ey Ez Hx Hy Hz Er Ef Ez Hr Hf Hz
场的横向分量可由纵向分量来表示： 纵横关系式（1.2.25-1.2.28)—直角坐标系 （1.2.29-1.2.32)—直角坐标系
Ez 和 Hz 总是独立满足波导场方程。
模式命名
“芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1>n2 低传输损耗
光纤的分类(1)按用途分
通信光纤 传感光纤 传光光纤 传像光纤
光纤的分类(2)按折射率分布
光纤的分类(3)按光纤传输模式分
模式: 光场在光纤横截面上的分布, 横模 单模光纤: 针对给定的光波长,只允许一个模式传输
光纤的分类(4)按材料分
刘海荣 (Dr. Liu Hairong)
第一章 光纤光学的基本理论
光纤光学所涉及的基本问题
(1)模式的激励 (光的入射) (2) 模式的分布 (光线传播轨迹) (3)传输损耗 (损耗) (4)光信号的畸变 (色散) (5) 模式耦合
光纤技术所涉及的基本问题
(1)参数的测试技术 (2)自聚焦,准直技术 (3)光纤间连接技术,光纤与光源间的耦合技术 (4)光隔离滤波技术 (5)光的放大技术
根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可将模式命 名为:
(1)横电磁模(TEM): Ez＝Hz＝0;
石英 纯度高, 通信 塑料 成本低,损耗大 红外光纤 极低理论损耗,用于跨洋通信等
特种光纤：
保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
1-2 光纤光学的基本方程
光纤光学的研究方法
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 研究内容
模式的场分量
模式场分布由六个场分量唯一决定： Ex Ey Ez Hx Hy Hz Er Ef Ez Hr Hf Hz
场的横向分量可由纵向分量来表示： 纵横关系式（1.2.25-1.2.28)—直角坐标系 （1.2.29-1.2.32)—直角坐标系
Ez 和 Hz 总是独立满足波导场方程。
模式命名
“芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1>n2 低传输损耗
光纤的分类(1)按用途分
通信光纤 传感光纤 传光光纤 传像光纤
光纤的分类(2)按折射率分布
光纤的分类(3)按光纤传输模式分
模式: 光场在光纤横截面上的分布, 横模 单模光纤: 针对给定的光波长,只允许一个模式传输
光纤的分类(4)按材料分
刘海荣 (Dr. Liu Hairong)
第一章 光纤光学的基本理论
光纤光学所涉及的基本问题
(1)模式的激励 (光的入射) (2) 模式的分布 (光线传播轨迹) (3)传输损耗 (损耗) (4)光信号的畸变 (色散) (5) 模式耦合
光纤技术所涉及的基本问题
(1)参数的测试技术 (2)自聚焦,准直技术 (3)光纤间连接技术,光纤与光源间的耦合技术 (4)光隔离滤波技术 (5)光的放大技术
根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可将模式命 名为:
(1)横电磁模(TEM): Ez＝Hz＝0;
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
光纤光学课件第一章
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------光纤光学课件第一章1幻灯片 1 光纤光学第一章光纤传输的基本理论 W-C Chen Foshan Univ. 幻灯片 2 1. 前言低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。
光纤在工程上的使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科光纤光学。
幻灯片 3 光纤的分类幻灯片 4 2实用光纤主要的三种基本类型 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；（c ）单模光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包Ait(a)输入脉冲光线传播路径～多模光纤幻灯片 5 阶跃折射率光纤剖面测量图（华工光通信研究所）3 单模光纤多模光纤幻灯片 6 光纤结构光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯(Core)和外围的包层(Cladding)同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。
设纤芯和包层的折射率分别为 n1 和 n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。
幻灯片 7 主要用途：1 / 15突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。
渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。
单模光纤用在大容量长距离的系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55 m 色散移位光纤实现了 10 Gb/s 容量的 100 km 的超大容量超长距离系统。
色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。
偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。
4幻灯片 8 2.光纤的研究方法光线理论几何光学方法波动光学方法适用条件研究对象光线模式基本方程射线方程波导场方程研究方法折射/反射定理边值问题主要特点约束光线模式幻灯片 9 光线理论光线分类子午光线倾斜光线射线方程几何光学法分析问题的两个出发点数值孔径时间延迟幻灯片 10 设纤芯和包层折射率分别为 n1 和 n2，空气的折射率 n0=1，纤芯中心轴线与 z 轴一致。
《光纤的非线性》课件
超快光纤非线性现象的研究
随着超快激光技术的发展，超快光纤非线性现象成为新的研究领域，如飞秒脉冲在光纤 中的传输和演化等。
光纤非线性的多物理场耦合研究
光纤中的非线性效应与温度、压力、电磁场等多种物理场存在耦合作用，深入研究这些 耦合作用有助于更好地理解和应用光纤非线性效应。
05
光纤非线性的实验研究
实验设备与环境
光纤非线性在光传感中的应用案例
光纤传感器
光纤的非线性效应可以用于实现光纤传感，通过测量光纤中光的非线性效应来 检测温度、压力、磁场等物理量，提高光纤传感器的灵敏度和精度。
光干涉仪
利用光纤的非线性效应，可以实现光干涉仪的干涉条纹移动和调制，提高光干 涉仪的测量精度和稳定性。
感谢观看
THANKS
02
当光在光纤中传输时，如果光强度足够高，会使光 纤的折射率发生变化，从而产生非线性效应。
03
光纤非线性是光纤通信系统中的重要问题，它会对 信号传输产生影响。
光纤非线性的产生原因
光强度的变化
当光强度足够高时，光纤中的电子受到激发，导 致折射率发生变化，从而产生非线性效应。
光纤结构
光纤的结构也会影响非线性效应的产生，例如光 纤的芯径、折射率等参数。
四波混频
总结词
四波混频是一种光纤非线性现象，它发生在多个不同频率的光波在光纤中传播时相互作用的情况。
详细描述
当多个不同频率的光波在光纤中传播时，它们之间会发生相互作用，导致光波的频率发生变化。这种 频率变化通常表现为产生新的频率分量，即四波混频。这种现象在强光作用下尤为明显，对光纤通信 系统性能产生重要影响。
光纤非线性机制的研究
研究者们通过理论和实验研究，深入了解了光纤 中非线性机制的物理本质，包括非线性折射率、 非线性耦合等。
随着超快激光技术的发展，超快光纤非线性现象成为新的研究领域，如飞秒脉冲在光纤 中的传输和演化等。
光纤非线性的多物理场耦合研究
光纤中的非线性效应与温度、压力、电磁场等多种物理场存在耦合作用，深入研究这些 耦合作用有助于更好地理解和应用光纤非线性效应。
05
光纤非线性的实验研究
实验设备与环境
光纤非线性在光传感中的应用案例
光纤传感器
光纤的非线性效应可以用于实现光纤传感，通过测量光纤中光的非线性效应来 检测温度、压力、磁场等物理量，提高光纤传感器的灵敏度和精度。
光干涉仪
利用光纤的非线性效应，可以实现光干涉仪的干涉条纹移动和调制，提高光干 涉仪的测量精度和稳定性。
感谢观看
THANKS
02
当光在光纤中传输时，如果光强度足够高，会使光 纤的折射率发生变化，从而产生非线性效应。
03
光纤非线性是光纤通信系统中的重要问题，它会对 信号传输产生影响。
光纤非线性的产生原因
光强度的变化
当光强度足够高时，光纤中的电子受到激发，导 致折射率发生变化，从而产生非线性效应。
光纤结构
光纤的结构也会影响非线性效应的产生，例如光 纤的芯径、折射率等参数。
四波混频
总结词
四波混频是一种光纤非线性现象，它发生在多个不同频率的光波在光纤中传播时相互作用的情况。
详细描述
当多个不同频率的光波在光纤中传播时，它们之间会发生相互作用，导致光波的频率发生变化。这种 频率变化通常表现为产生新的频率分量，即四波混频。这种现象在强光作用下尤为明显，对光纤通信 系统性能产生重要影响。
光纤非线性机制的研究
研究者们通过理论和实验研究，深入了解了光纤 中非线性机制的物理本质，包括非线性折射率、 非线性耦合等。
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）。
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）。
非线性光纤光学第一章 导论
I suggest that you have equipped yourself with these.
8
Overall goals of this course
掌握光脉冲在光纤中传播的规律： 现象； 现象背后的物理机制； 这些现象对通信系统的影响及其控制方法。 掌握光脉冲在光纤中的传播特性及其在光纤通信 中的应用 传播特性器件原理器件
crosstalk40selfphasemodulation功率随时间变化导致折射率随时间变化从而导致瞬时频率改变频率啁啾因而减少了比特率距离积41crossphasemodulation多通道相位效应severalwavelengthspresentfibereachcarryingdifferentdata功率随时间变化导致折射率随时间变化从而导致瞬时频率改变频率啁产生的频率啁啾使信号谱加宽从而增加色散效应因而减少了比特率距离积作替换
14
Remember some useful numbers
玻璃中的光速 v = c / n 其中 c = 3 x 108 m/s, n ~ 1.5 频率 × 波长 = 光速 e.g. for 1.5mm, frequency = 200THz 波长用microns (微米mm) and nanometres (纳米nm)来衡量 频率用 吉赫兹（GHz，109 Hz）来衡量 A WDM channel spacing at 1.55mm might be 1nm - what is this in frequency? About 125GHz 0.8nm ~ 100GHz - well worth remembering! An optical amplifier has a pass band of 30-40nm ie ~4THz 脉冲宽度用皮秒(ps, 10-12 s)或飞秒 (fs, 10-15 s) 来衡量
《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
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
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
非线性光纤光学1
单色平面波： P = （3）电磁场能量密度
E0
2
2ωμ 0
k=
H0
2
2ωε 0
k
[W.m-2] [J.m-3]
1 1 w = εE 2 + μ 0 H 2 2 2
光的粒子性
E = hω , p = hk
单位体积内的光子数（光子密度）：
w N= hω
光子流密度：
1 2 1 w = εE + μ 0 H 2 2 2
电磁场的能量和能流
（1）电磁场能量守恒定律
∇ ⋅ (E × H ) = −
∂ ⎛1 1 ⎞ μ 0 H 2 + εE 2 ⎟ ⎜ ∂t ⎝ 2 2 ⎠
∂B ∂D ∂B ∂D ∇×E = − , ∇×H = ∇ ⋅ (E× H) = H ⋅ (∇ × E) − E ⋅ (∇ × H) = −H ⋅ − E ⋅ ∂t ∂t ∂t ∂t
全内反射和临界角
n2 θi > θc = sin n1
Snell定律
E i = E i 0 e − j k i ⋅ r E r = E r 0 e − j k r ⋅ r E t = E t 0 e − jk t ⋅ r
选择坐标系使kix=0:
k i = e y k iy + e z k iz
n × E i 0 e − i ( k i ⋅ r − ωt ) + E r 0 e − i ( k r ⋅ r − ωt ) = n × E t 0 e − i ( k t ⋅ [ n 2 − sin 2 θ i ]1 2 Et 0 2 cos θ i = r⊥ = , t⊥ = = 2 2 12 Ei 0 cos θ i + [ n − sin θ i ] Ei 0 cos θ i + [ n 2 − sin 2 θ i ]1 2
E0
2
2ωμ 0
k=
H0
2
2ωε 0
k
[W.m-2] [J.m-3]
1 1 w = εE 2 + μ 0 H 2 2 2
光的粒子性
E = hω , p = hk
单位体积内的光子数（光子密度）：
w N= hω
光子流密度：
1 2 1 w = εE + μ 0 H 2 2 2
电磁场的能量和能流
（1）电磁场能量守恒定律
∇ ⋅ (E × H ) = −
∂ ⎛1 1 ⎞ μ 0 H 2 + εE 2 ⎟ ⎜ ∂t ⎝ 2 2 ⎠
∂B ∂D ∂B ∂D ∇×E = − , ∇×H = ∇ ⋅ (E× H) = H ⋅ (∇ × E) − E ⋅ (∇ × H) = −H ⋅ − E ⋅ ∂t ∂t ∂t ∂t
全内反射和临界角
n2 θi > θc = sin n1
Snell定律
E i = E i 0 e − j k i ⋅ r E r = E r 0 e − j k r ⋅ r E t = E t 0 e − jk t ⋅ r
选择坐标系使kix=0:
k i = e y k iy + e z k iz
n × E i 0 e − i ( k i ⋅ r − ωt ) + E r 0 e − i ( k r ⋅ r − ωt ) = n × E t 0 e − i ( k t ⋅ [ n 2 − sin 2 θ i ]1 2 Et 0 2 cos θ i = r⊥ = , t⊥ = = 2 2 12 Ei 0 cos θ i + [ n − sin θ i ] Ei 0 cos θ i + [ n 2 − sin 2 θ i ]1 2
非线性光学PPT课件
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 光束之间可以相互传递相位信息，而且两
Nonlinear Optics 非线性光学
2019/11/23
1
第1章 绪 论
§1.1 非线性光学的意义
1.1.1非线性光学是非线性物理学的分支学科
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。
(E) (1) (2) E E (3) 2 (1) (2) (E) (3) (E2 )
16
§1.2 非线性光学的主要研究内容
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。
10
• 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。
极化强度 P(r,t) 按入射光频信号电场 E(r,t) 的幂级数
展开的形式为：
P
=
(1)
0
E
0(2)
:
EE
(3)
0
EEE
= PL PNL
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 光束之间可以相互传递相位信息，而且两
Nonlinear Optics 非线性光学
2019/11/23
1
第1章 绪 论
§1.1 非线性光学的意义
1.1.1非线性光学是非线性物理学的分支学科
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。
(E) (1) (2) E E (3) 2 (1) (2) (E) (3) (E2 )
16
§1.2 非线性光学的主要研究内容
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。
10
• 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。
极化强度 P(r,t) 按入射光频信号电场 E(r,t) 的幂级数
展开的形式为：
P
=
(1)
0
E
0(2)
:
EE
(3)
0
EEE
= PL PNL
非线性光学原理PPT课件
Px xxx Ex Ex yyy Ey Ey zzz Ez Ez 2 xyz Ez Ey 2xzx Ez Ex xyx Ey Ex
第6页/共21页
ijk是一组数集合，有27个分量，
独立分量18个，属于三阶张量。 dil 二次非线性光学系数。
dil和ijk关系为： ixx , iyy , izz di1, di2 , di3; iyz izy di4; izx ixz di5; ixy iyx di6;i 1, 2, 3
这种m 900的相位匹配称为最佳相位匹配
第18页/共21页
因为m 900时，o光和e光在非线性晶体中
光线传播方向一致，使得基频光波与倍频 光波良好耦合，从而非线性晶体材料及基频 光波能量都能充分得到利用。
若温度变化引起的no和ne改变对应的m不明显，
则对晶体温度控制要求可适当降低。
第19页/共21页
第1页/共21页
线性极化与非线性极化
物质在弱光电场作用下只能产生线性极化， 振荡偶极子产生光波电场频率相同的极化波 辐射同频率的次级电磁波。
P E ：介质线性极化率
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
P (1) E (2) EE (3) EEE
1CGSEq=
1 3
109
c;
2
倍频光波长(cm)；Ac入射光截面积；
n，n2介质对基频光和倍频光的折射率； 2 • n n;
c
k k 2 2k倍频光与基频光在介质中经过某一点的相位差。
第11页/共21页
SHG
P2 P
512 5L2d 2P n 2 n2 2 2
sin
Lk
/
2
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ijk是一组数集合，有27个分量，
独立分量18个，属于三阶张量。 dil 二次非线性光学系数。
dil和ijk关系为： ixx , iyy , izz di1, di2 , di3; iyz izy di4; izx ixz di5; ixy iyx di6;i 1, 2, 3
这种m 900的相位匹配称为最佳相位匹配
第18页/共21页
因为m 900时，o光和e光在非线性晶体中
光线传播方向一致，使得基频光波与倍频 光波良好耦合，从而非线性晶体材料及基频 光波能量都能充分得到利用。
若温度变化引起的no和ne改变对应的m不明显，
则对晶体温度控制要求可适当降低。
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线性极化与非线性极化
物质在弱光电场作用下只能产生线性极化， 振荡偶极子产生光波电场频率相同的极化波 辐射同频率的次级电磁波。
P E ：介质线性极化率
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
P (1) E (2) EE (3) EEE
1CGSEq=
1 3
109
c;
2
倍频光波长(cm)；Ac入射光截面积；
n，n2介质对基频光和倍频光的折射率； 2 • n n;
c
k k 2 2k倍频光与基频光在介质中经过某一点的相位差。
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SHG
P2 P
512 5L2d 2P n 2 n2 2 2
sin
Lk
/
2
非线性光纤光学第一章-绪论ppt课件.ppt
折射率分布函数
✓归一化频率 归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量。
V ak0
n12 n22
12
2 a
NA
2
an1
2
V值越大，能够传播的模式越多！ 可传播的模式数
M 1V2 2
V 2.405 时，只传输基模。
归一化频率与归一化传输常数的关系曲线
✓单模光纤截止波长
当V<2.405时，光纤只能传输基模一个模式，其他模式 均被截止。满足单模传输条件的最小波长称为截止波长，
光纤和通信
➢ 古希腊人用烽火来传播特洛伊战争的消息—最早的光通信
➢ 1953 年 ， 在 伦 敦 皇 家 科 学 技 术 学 院 工 作 的 Narinder Kapany开发出了用不同光学玻璃作芯和包层的包层纤维， 这也就诞生了今天所用光纤的结构，“光纤”这个词就是 Kapany给出的。
➢ 1960年 Mainman 制作出第一台激光器才引发人们对光 通信的关注。但是最初光纤的损耗很大，只传输3m就可 以损失掉一半的能量，传输20m就只剩下1％。用在胃部 检查还可以,用于光通信不可能。
表示光纤性质的光学参数
✓ 相对折射率差(阶跃光纤) 相对折射率差是表示纤芯和包层折射率差异程度的参数， 其物理含义是表示把光封闭在光纤中的难易程度。
n12 n22 2n12
包层折射率 纤芯折射率
✓数值孔径（NA）
n1 n2 > n0
n0
<max
A B
>max
B
>c
< c 900_ c
包层 纤芯
涂覆层
光纤的基本结构
✓ 特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并
《光纤的非线性》PPT课件_OK
Optical fiber commu nications
Copyright Wang Yan
1-9
C、基波另外的分量会引起频率的啁啾，并且改变其色散
D、忽略3次谐波
PNL
(r1
,
t
)
(
3 4
0
(3)
E
3
)
E
cos3
(
0t
0
z)
0
0
c
1 2(1) 3 (3) E 2
4
n
1 2(1)
0
4、The dleadEdti2nged0ge:i 0 红移
d E 2 0 蓝移i 0
dt
d E2 0
dt
i 0
2021/9/2
Optical fiber commu nications
Copyright Wang Yan
1-15
五、Cross phase Modulation XPM
当两个或每个不同波长的光波在光钎中同时传播时他 们将通过光纤的非线形而相互作用。此时有效折射率 不仅与该波的强度有关，也与其他波的强度有关。XP M就是指光纤中某波长的广场E由同时输出另一波长 的光场E2所引出的非线性相移。
PNL (r1, t ) 0 E (3) 3 cos3 (0t 0 z)
0
(3) E 3[ 3 4
cos(0t
0z)
1 4
30t
30t ]
B、新的频率成份 3似0 忽略
reason：其频率在感兴趣的频段以外
其强度弱因为有设有同基波进行任相
匹配 ( (30 ) 3(0 ) )
2021/9/2
值为 (3) 1034 ~ 1029
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2021
4
➢ 20世纪60年代，光纤损耗超过1000dB/km；1966年， 高锟预言高纯度的光纤可以传输光500m还剩余10％的能 量，当时听起来是神话。
➢ 1970年出现突破，光纤损耗降低到约20dB/km (1m附 近波长区)
➢ 1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在1.55 m处) －低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了 光纤通信的时代。
1300、1550nm 多模LD
单模LD
1970 康宁制出低损耗光纤 (20dB/km)
1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km) 低损耗窗口光纤开发
单模光纤
2021
6
EDFA
光纤通信最具代性技术：
掺铒光纤放大EDFA和波分复用WDM
2021
7
光纤通信的发展现状和趋势
单路速率不断提升，
光纤和通信
➢ 古希腊人用烽火来传播特洛伊战争的消息—最早的光通信
➢ 1953 年 ， 在 伦 敦 皇 家 科 学 技 术 学 院 工 作 的 Narinder Kapany开发出了用不同光学玻璃作芯和包层的包层纤维， 这也就诞生了今天所用光纤的结构，“光纤”这个词就是 Kapany给出的。
➢ 1960年 Mainman 制作出第一台激光器才引发人们对光 通信的关注。但是最初光纤的损耗很大，只传输3m就可 以损失掉一半的能量，传输20m就只剩下1％。用在胃部 检查还可以,用于光通信不可能。
已达到10、20、40Gb/s 采用OTDM技术甚至 可达1.28Tb/s
光纤通信
一根光纤中可同时传输一百 多路信号，采用特殊技术 甚至可以同时传输1022路；
采用DWDM技术实现了 数十Tb/s的传输容量
超高速
大容量
网络化 长距离
各种通信技术的快速 发展使上千甚至上万公 里的长距离传输成为可能
全光网成为目前光通信 领域最热门的话题之一
2021
5
光纤通信的历史
•雏形：古代烽火、手旗、灯光 1880年 贝尔的光电话
激光器(发送源）
光纤(传输介质)
1960 Maiman发明红宝石激光器 1951 医用玻璃纤维(损耗1000dB/km) 1962 半导体激光器诞生(GaAs 870nm) 1966 高锟 理论预言
70 年代室温工作LD (GaAsAI 850nm)
(c) 意识到全内反射的重要性：Moller Hansen用人造黄 油覆盖在玻璃外以产生全内反射，但结果不实用。
(d) “包层”(cladding)概念的提出: 1951年，美国光物 理学家 Brian O’ Brien和Van Heel分别独自提出了 “包层”概念。Van Heel使用蜂蜡和塑料，比黄油实用。 1956年底，密歇根大学的一个本科生Larry Curtiss制 作了第一个包裹良好的玻璃包层光纤，用低折射率的玻璃 管熔化到高折射率的玻璃棒上202。1 随后发展成塑料包层。 3
2021
13
✓ 光子晶体光纤——PCF 折射率导引光纤 （TIR-PCF〕
光子带隙导引光纤 （ PBG-PCF〕
晶格：三角空气柱包层＋Silica柱芯 原理：低等效包层折射率－全内反射 特性：次高阶模截止带宽内单模传输
晶格：六角空气柱包层＋空气柱芯
原理：光子带隙限制局域单模传输
特性：带隙窗口(数m)内单模传输
✓ 塑料光纤
纤芯和包层都用塑料（聚合物）做成，纤芯直径为1000μm，比单模石 英光纤大100倍，接续简单，易于弯曲，施工容易。
✓ 多组分玻璃光纤
多组分玻璃的成分是以重量占百分之几十的SiO2为主，还包含有碱金属、 碱土金属、铝、硼的氧化物的总称。其特点是：折射率一般比石英玻璃 高，n=1.49~1.54，可以用来制作大数值孔径（NA＝0.2~0.6）的光 纤。熔融温度比石英系玻璃低一些，在1400摄氏度以下；抗压抗拉强 度低于石英玻璃。
2021
14
折射率引导型光 子晶体光纤（图 中A、C、D）和 光子带隙引导型 光纤（图中的E、 G、I）。
不同结构的光子晶体光纤
2021
15
光纤的类型（4）—按表面涂层结构分类有：
紧套光纤：光纤不能在塑套管内活动 松套光纤：光纤能在塑套管内活动
2021
16
光纤的类型（5）—按工作波长分类有：
✓ 短波长光纤： 早期使用的光纤波长都在0.6～0.9μm范围内(典型值 为0.85μm)，把在此波长范围内工作的光纤称为短 波长光纤。 ✓ 长波长光纤： 把波长在1.3lμm和1.55μm区域内工作的光纤称为长 波长光纤。
外径： 2b=125m
单模光纤和多模光纤
2021
11
2021
12
光纤的类型（3）—按制做光纤的材料分类：
✓ 石英系光纤
光这纤种的光损纤耗的低纤，芯强和度包和层可是靠由性高较纯高度，的目S前iO应2掺用有最适广当泛的。杂质制成，这种
✓ 石英芯、塑料包层光纤
将高纯度的石英玻璃作纤芯，而将折射率比石英稍低的如硅胶等塑料作 为包层的阶跃型光纤。其特点是：易于和发光二极管（LED）光源结合， 损耗也较小，非常适用于局域网（LAN）和近距离通信。
第一章 绪论
1. 光纤与光纤通信 2. 光纤概述 3. 光纤的损耗特性 4. 光纤的色散特性 5. 光纤非线性效应
2021
1
1. 光纤与光纤通信
光纤的发展历史
(a) 全内反射
1841 瑞士 丹尼尔·科拉登
光源
光束被限制在喷射
的水流中传播
2021
2
(b) 玻 璃 光 导 ： 20 世 纪 20 年 代 ， 美 国 电 子 工 程 师 Clarence W. Hansell首先申请了利用玻璃光纤（实际 上就是非常纤细的小棒）传输图像的专利。德国医生 Heinrich Lamm在1930年首先制作了图像传输光纤束。
2021
9
光纤的类型（1）
根据纤芯折射率径向分布的不同，可分为：
阶跃型（均匀）光纤和渐变型（梯度）光纤
阶跃光纤(a)与渐变光纤(b)的横截面和折射率分布
2021
10
光纤的类型（2）
✓ 光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长可传播的模的 数量不同
✓ 多模光纤 2a=50 m
✓ 单模光纤 2a=4~10 m
2021
8
2. 光纤概述
结构及其分类
✓ 光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。 ✓ 光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层Clad)＋涂覆层。
包层 纤芯
涂覆层
光纤的基本结构
✓ 特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并
在光纤中传递下去。