非线性光纤光学第一章绪论
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非线性光物理第一章
傅里叶光学
导波光学
量子光学
非线性光学与其它领域的关系
非线性光学的发展趋势
非线性光物理学
刘智波 南开大学泰达应用物理学院
2013年
成绩组成
出勤 15% 作业 15% 考试 70%
五教314 nkzbliu@
内容目录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 附一 附二 绪论 非线性极化率与光束传播 二阶非线性极化及其应用 三阶非线性极化及其应用 光致折射率变化 光致吸收变化 非线性光散射 非线性光学器件的发展与现状 非线性等离子激元（plasmonic）
20世纪下半叶
非线性力学 非线性声学 非线性热学
强光与物 质相互作 用的规律
非线性光学与现代光学的关系
20世纪60年代激光的发明，为古老的光学 带来的新的生机。
激光物理学
非线性光学
现代光学 导波光学 傅里叶光学
量子光学
非线性光学与现代光学的关系
激光物理学
非线性光学
• 激光及激光器 • 各种激光器、激光模式、应用 • 光与物质相互作用的非线性效应 • 频率转换、全光开关、孤子通信 • 傅里叶光学及光信息处理 • 全息、图像处理、光学信息技术 • 光纤光学和波导 • 光纤通信、光纤器件、平面波导 • 非经典光学现象 • 量子纠缠、量子计算、量子存储
非线性光学历史
非线性光学发展成熟阶段 1965年—1985年 1962-1975年，相干瞬态光学效应（自感应透明等） 1963-1983年，发现简并四波混频和光学相位共轭 1964-1974年，光克尔效应提出并得到实验验证 1975-1985年，发现光学双稳态和光学混沌 1972-1987年，光纤中的非线性光学性质和光孤子 1984年沈元壤发表专著The Principle of nonlinear optics
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。
《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。
光纤的非线性
Optical fiber communications 1-2
2019/3/10
Copyright Wang Yan
二阶非线性系数d导致产生二次谐波及和频等一系列非 线性效应。但它仅缺乏分子量级反转对称的介质才不 为0。对 SiO2 对称分子石英玻璃的d±0，所以光 纤通常不表现出二阶非线性效应，主要讨论其三阶非 线性效应。 A.非线性折射：折射率佼核与光强（弹性效应） 2 2 总折射率：n ( , E ) n( ) n E
Optical fiber communications 1-1
2019/3/10
4.光纤的非线性
Copyright Wang Yan
一、非线性效应 线性介质： P 0 E 非线性介质（强场）：
P 0 E 2dE 4
2
( 3)
E
d：二阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典型 值为 d 10 24 ~ 10 21 ( 3) 三阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典 ( 3) 10 34 ~ 10 29 型值为
弹性：自相关调制（SPM:self phase modulation） 交叉相关调制（XPM:Cross phase Modulation）
Optical fiber communications 1-3
2019/3/10
Copyright Wang Yan
B、受激非弹性散射：非线性介质有能量交换 1.受激拉曼散射：Stimulated Raman Scattering—— SRS 2.受激布里渊散射： Stimulated Brillouin Scattering——SBS C参量过程： 四波混频：FWM-Four Wave Mixing
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-绪论-第一章
忽略
2、学科特点
线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线
性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性 叠加原理
非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，
在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不 同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不 成立
激光技术催生非线性光学的出现并推动了其 发展。
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：
4）是认知和了解物质材料的一种重要手段；
通过强光与物质相互作用的研究，可以获得有关物质的组成、结构、状态、 能量耦合和转移等材料内部的信息。它和材料研究紧密相关。
5）是促进基础理论发展的一种动力。
1997年诺贝尔物理奖得主
Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips
2001年诺贝尔物理奖得主
Eric A. Cornell (USA)
Wolfgang Ketterle (Germany)
Carl E. Wieman (USA)
"for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates"
2、学科特点
线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线
性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性 叠加原理
非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，
在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不 同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不 成立
激光技术催生非线性光学的出现并推动了其 发展。
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：
4）是认知和了解物质材料的一种重要手段；
通过强光与物质相互作用的研究，可以获得有关物质的组成、结构、状态、 能量耦合和转移等材料内部的信息。它和材料研究紧密相关。
5）是促进基础理论发展的一种动力。
1997年诺贝尔物理奖得主
Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips
2001年诺贝尔物理奖得主
Eric A. Cornell (USA)
Wolfgang Ketterle (Germany)
Carl E. Wieman (USA)
"for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates"
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
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
光纤光学第一章
全球海底光缆网络
我国陆地光缆网络
二、光纤到户
1）“最后一公里”成为现代电信网络的瓶颈。 2）光纤到户较比电缆接入具有优势;
光纤到户为无源网络，可靠稳定，维护运营成本低
光接入带宽大、距离长，网络规模大
光纤承载业务种类多（语音、数据、图像、多媒体）
光纤传输支持的协议灵活，数据格式透明
1、了解光纤的发展和新型光纤特性。 2、了解光纤通信技术的发展趋势。
3、了解光纤传感技术的发展趋势。
1、 光纤的发展 多模光纤 单模光纤 保偏光纤 掺杂光纤 塑料光纤 光子晶体光纤
一、聚合物/塑料光纤 POF
塑料光纤与石英光纤：纤芯较粗、柔性好、易安装、 易弯曲、易连接、耦合效率高、价格便宜。 塑料光纤与同缆电缆：抗干扰能力强，无电磁辐射， 保密性好，通信容量大，使用寿命长；
10）1966年，高锟博士（“光纤之父”）发表著名论文
“用于光频率的绝缘纤维表面波导管”。首次明确提出，
通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的
从而使光纤可用于通信之中。 11）1970年，美国的 Coring Glass
损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤，
Corporation 采用化
光纤到户实现方式多样（APON、EPON、GPON）
3）2004年4月，武汉电信与烽火公司开通“光纤到 户·数字家庭”应用试点项目，标志我国FTTH网络建设 的起步。
1.4 光纤与传感技术
传感器技术是一种能按一定规律将各种被检测的物理 量转换为便于处理的量（如电、磁等）的器件。
光纤传感器所具有的独特优势：
1）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。 广泛应用石油化工、矿井、等易燃易爆场合。 2）灵敏度高。 广泛应用光纤化学传感器和光纤生物传感器。 3）重量轻、体积小、可绕曲。 应用于航空航天、雷达等狭小空间场合。 4）便于复用、便于成网。 与光纤通信网构成遥测网和光纤传感网络。
非线性光学 第一章
(1) (1) P (t ) 0 ( ) E ( )e it d
( 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 (
( 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
非线性光学
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》
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》
《非线性光纤光学》第1章-绪论
➢ 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。
c
2 a
Vc
n1
2 2 an1 2 (m)
2.405
✓单模光纤模场直径（MFD）
e=2.71828
对单模光纤，2a与处 于同一量级，由于衍射 效应，模场强度有相当 一部分处于包层中，不 易精确测出2a的精确值， 因而只有结构设计上的 意义，在应用中并无实 际意义，实际应用中常
用模场直径2w，即光斑
用(n1 n2 ) n1和(n1 n2 ) 2n1代入上式得到
1
1
1
NA= 2n1 (n1)2 n1(2)2 1.46(20.003)2 0.113
最大可接收角sinmax NA / n0 0.133 /1或者max 6.5
单模传输的aNA / 2.405 1.18m
✓ 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
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
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
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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
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
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。
➢ 非汽相沉积法
✓ 多组分玻璃法 ✓ 凝胶法 ✓ 机械成形光纤预制棒法
化学气相沉积法(CVD)
✓ 美国康宁公司1970年首先得到20dB／km的低损耗光纤所 采用的方法，它是光纤制造采用的基本工艺。
✓ 这种工艺必须满足两个要求，即高纯度和精确控制折射率 分布。
S i C l 4 + O 2 S i O 2 + 2 C l 2 ; S i C l 4 + 2 H 2 O S i O 2 + H C l
➢ 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。
✓ 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
c 2 a N A /2 .4 0 5 1 .1 8 m
光纤 合格光纤
纯度分析 质量控制
性能测量
制造光纤的工艺流程
(1)制作预制棒
➢ 汽相沉积法
✓ CVD－化学汽相沉积法 ✓ MCVD—改进的化学汽相沉积法 ✓ PCVD－等离子体化学汽相沉积法 ✓ OVD－棒外汽相沉积法 ✓ VAD－轴向汽相沉积法
将数值代入可得
a2.01m
2.典型单模光纤的纤芯直径是8μm，折射率是1.46。归一化 折射率差是0.3％，包层直径是125μm，光源波长为0.85μm。 计算光纤的数值孔径、最大可接收角和截止波长。
解：光纤的数值孔径为
1
1
N A n 1 2n2 22 n 1n2(n 1n2) 2
用 ( n 1 n 2 ) n 1 和 ( n 1 n 2 ) 2 n 1 代 入 上 式 得 到
• 但 NA 越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信 息传输容量。所以要根据使用场合，选择适当的 NA。
✓折射率分布系数 折射率分布系数是用来描述折射率变化规律的物理量。
纤芯中心的折射率
折射率分布系数
n(r)n(0) 12(r) r a a
n(r) n2
r a 纤芯半径
折射率分布函数
用模场直径2w，即光斑
尺寸表示，近似为：
电场强度 降到峰值 的1/e
E0/e
2w
2a
w a 0 .6 9 1 .1 6 1 9 V 3 2 2 .8 7 9 V 6
上式在1.2<V<2.4范围内,误差<1%。
归一化模场半径w/a与归一化频率V的关系
例如，V＝2时，几乎75%的模式功率在纤芯内，而当V＝1 时，降到20%，这就是为什么大多数通信光纤的V值在 2<V <2.4。
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。
✓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 a k 0n 1 2 n 2 212 2aN A 2 a n 12
V值越大，能够传播的模式越多！ 可传播的模式数
M 1V2 2
V2.405 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
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)
【V，Pcore Ptotal ，但是V>2.405后，就不是单模运转了！】
举 例：
1. 纤芯折射率n1=1.468，包层折射率n2=1.447，假如光源波 长为1300nm，计算单模光纤的纤芯半径是多少？
解 ： 当 V2 .4 0 5 时 可 以 实 现 单 模 传 输 ， 于 是
V2a1 n1 2n2 22.405
最 大 的 角 应 该 是 使 c 。 在
n0 / n1 界面，根据斯奈尔(Snell)定律，得
到
sin max
sin 90o c
n1 n0
全 反 射 时 满 足 ， sinc n2 n1 ， 将此式
代入上式，得到
sinmax
n12 n22 1 2 n0
当光从空气进入光纤时， n0 1，所以
改进的化学气相沉积法(MCVD) 贝尔实验室在1974年开发
n2
消逝波
A全反射
n1 n2
不同入射角的光线
• 不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定角度范围内的光线产生的折射光线 才能在光纤中传输。假如在光纤端面的入射角是 ，在波导内光线与垂直于光纤 轴线的夹角是 。 > c(临界角)的光线将发生全反射，而 < c的光线将进入包 层泄漏出去。
• 为了光能够在光纤中传输，入射角 必须要能够使进入光纤的光线在光纤内发生 全发射而返回纤芯，并以曲折形状向前传播。
✓ 多模光纤 2a=50 m
✓ 单模光纤 2a=4~10 m 外径： 2b=125m
单模光纤和多模光纤
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。
✓ 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。
光纤的类型（6）—按照ITU-T提出的规范划分:
✓ 多模光纤G.651(MMF)， ✓ 单模光纤G.652（常规单模光纤） ✓ G.653光纤（色散位移光纤） ✓ G.654（低损耗光纤） ✓ G.655（非零色散位移光纤） ✓ G.656光纤（宽带光传输用非零色散位移光纤） ✓ G.657光纤（弯曲不敏感光纤） ✓ 色散平坦光纤（DFF） ✓ 色散补偿光纤（ DCF ）
1
1
1
N A = 2 n 1 ( n 1 ) 2 n 1 ( 2 ) 2 1 .4 6 ( 2 0 .0 0 3 ) 2 0 .1 1 3
最 大 可 接 收 角 s i n m a x N A / n 0 0 . 1 3 3 / 1 或 者 m a x 6 . 5
单 模 传 输 的 条 件 是 V 2 . 4 0 5 , 对 应 的 截 止 波 长 为
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
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。
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
EDFA
光纤通信最具代表性技术： 掺铒光纤放大EDFA和波分复用WDM
光纤通信的发展现状和趋势
单路速率不断提升，
已达到10、20、40Gb/s 采用OTDM技术甚至 可达1.28Tb/s
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