第七章2015张毅非线性吸收系数解读

☆
可见三阶非线性吸收系数是与光强成正比的。因此，如果仅 考虑到三阶非线性吸收，则介质的吸收系数可表示为
0 2I
2
IBaidu Nhomakorabea
2 0c 2n2
(3)// e
23
(I) 0
1 I / Ic
1
0 1
I Ic
0 1
I Ic
0
0
Ic
I
☆
0 2I
2
0
Ic
2 0c2n02
(3)// e
24
饱和吸收特性曲线是 由各高阶非线性极化效应的贡献共同形成的
i
2 0cn
P (3) s
(
z
)
☆
三阶非线性效应的极化强度为
P (3) s
(
z)
3
0
(3)
(;,,)E2Es
(z)
Ps(3) (z)
i
6 cn0
(3) // I
Es (z)
21
d
Es (z) dz
i
2 0cn
Ps(3) (z)
Ps(3) (z)
i
6 cn0
(3) // I
Es (z)
12
☆
13
☆
14
n2 t
0
I
(n1
n2
)
n2
21
n2
23
☆ n3 n2 n3
t 23 31
15
n2 t
0
I
(n1
n2
)
n2
21
n2
23
n3 n2 n3
t 23 31
N n1 n2 n3
n1
1
N I/
Ic
n2 0
n3
1
N Ic
/
I
☆
16
n1
1
N I/
Ic
(I) 0
1 I / Ic
为了探讨饱和吸收系数与三阶非线性吸收之间的关系，
我们设想一个测量非线性吸收的实验
19
为区分这两束光， 用一个偏振分光镜使两者入射时的偏振方向互相垂直， 并用另一个偏振分光镜将它们的输出光分开。 在这个实验中，设想信号光的增益就是泵浦光的被吸收
☆
20
d
Es (z) dz
32
n2 t
0In1
n2
S0
n2
ST
n1 n2 n3 N
n3 n2 n3
t ST T0
饱和吸收在20世纪60～70年代被用于 激光脉冲的压缩和吸收型光双稳器件
☆
25
7.1.2 反饱和吸收
☆
1．反饱和吸收的能级模型
反饱和吸收是随光强的增加吸收系数增大 或透射率减小的效应。
反饱和吸收主要由 激发态能级间的跃迁 所伴随的非线性吸收引起。 在非共振条件下， 基态吸收较弱， 才能显示出
激发态的非线性吸收。
被广泛应用于激光脉冲的压缩（调Q和锁模）。 自70年代以来人们研究的大多数光学双稳器件 都基于由饱和吸收引起的非线性色散效应。
18
3．饱和吸收与三阶非线性极化的关系
☆
吸收系数与光强的关系不是线性关系。
这是因为，我们在分析能级跃迁过程产生非线性吸收时，
已经包含了各阶非线性极化的贡献。
如果只考虑三阶非线性极化的贡献， 吸收系数与光强的关系是线性关系。
第7章 非线性光吸收与光折射
☆
光吸收是光与物质相互作用的一种最基本的方式。
光辐射、光散射和光致折射率变化等过程 都与光吸收有密切的关系。
在强激光的作用下，介质的吸收系数会随光强变化， 这是非线性光吸收的现象。
根据K-K关系，非线性光吸收必然伴随着非线性光折射。
将讨论激光与介质相互作用所引起的各种非线性光吸收效应， 以及相关的非线性折射效应。
得信号光光电场所满足的微分方程
d
Es (z) dz
0c2n2
I (3)// e
Es (z)
d
Es (z) dz
2
Es (z)
☆
解得信号光光电场
Es (z)
Es
(0)
exp
2
z
从而信号光光强为
Is (z) Es (z)Es*(z)
Is (0) exp z
22
Is (z) Es (z)Es*(z) Is (0)exp z
许多具有中心对称的有机大分子 的能级结构可以用一个包括单重 态和三重态的五能级模型来描述
26
☆
27
☆
28
☆
29
☆
30
2．动态反饱和吸收
☆
n2 t
0In1
n2
S0
n2
ST
n3 n2 n3
t ST T0
n1 n2 n3 N
I (z,t) (I )I (z,t)
t
(I ) n1 0 n2S n3 T
7.2 饱和折射与反饱和折射 7.2.1 饱和折射与反饱和折射 7.2.2 非线性折射系数的物理意义
7.3 双光子吸收
2
7.1 饱和吸收与反饱和吸收
☆
7.1.1 饱和吸收
1．饱和吸收宏观规律
当激光入射介质时， 介质的吸收系数随介质内光强的增加而减小， 直至达到饱和值，这种效应称为饱和吸收。
(I) 0
除了讨论由基态至第一激发态跃迁引起的饱和吸收和饱和折 射现象之外，还要介绍由第一激发态至更高激发态跃迁引起 的反饱和吸收与反饱和折射现象， 这属于激发态非线性光学的内容。 还将讨论从基态到虚能级跃迁形成的双光子吸收现象。
1
☆
7.1 饱和吸收与反饱和吸收 7.1.1 饱和吸收 7.1.2 反饱和吸收
31
(I ) n1 0 n2S n3 T
☆
m
m
i ni i i 1,2,3,, m
i 1
i 1
这是一个包含时间和空间坐标的动力学方程组。
求解此方程组时，必须考虑初始条件和边界条件。
I (0, t) I0 f (t)
则光强为 I (z,t) I0 (z) exp[ c(t / L )2 ]
n2 0
n3
N 1 Ic
/
I
(I) 0
1 I / Ic
三重态模型与二能级模型的饱和吸收服从相同的规律
即在强光作用下，全部粒子从基态能级经单重态激发态能级
转移到三重态的激发态能级，不能再吸收光子。 这是三能级饱和吸收达到饱和的实质。
☆
17
☆
饱和吸收现象主要发生在线性吸收谱的峰值处（共振吸收）， 因为该处的吸收系数有很强的光强依赖性（非线性强）。 20世纪70年代饱和吸收
n2
)
n2
21
☆
N n2 n1
n
n1
n2
N 1 I /
Ic
8
n
n1
n2
N 1 I /
Ic
☆
9
半导体的导带和价带构成的系统可以看作一个二能级系统。 ☆
10
☆
说明还存在着其他吸收效应， 这主要来源于激发态的非线性吸收
11
（2）三能级系统模型
☆
在染料分子中存在着单重态和三重态两个能级系统的激发态 能级，染料分子的饱和吸收特性可采用三能级模型解释
1 I / Ic
3
(I) 0
☆
1 I / Ic
4
2．饱和吸收的能级模型
☆
饱和吸收是因组成介质的粒子（原子、分子或离子） 从基态能级至第一激发态能级跃迁时
所发生的一种非线性光吸收现象。
（1）二能级系统模型
5
☆
6
☆
n2 t
0
I
(n1
n2
)
n2
21
N n2 n1
7
n2 t
0
I
(n1