非线性光学(复习)讲解
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。
【大学物理必备】非线性光学
h
k2 (2 ) 。介质首先吸收两个光子，然后发射一个倍频
h
2h
光子（见图 4-3）。根据动量守恒定律，有
2k1( ) k2 (2 )
(4.7)
k
n
k 0
c
吸收双光子发射倍频光子
k0 是单位矢量，于是有
图 4-3
n1() n2 (2)
(4.8)
式（4.8）表明基频光的相速等于谐频光的相速。设晶体平行块的厚度为 l，当垂直入射的
x (1)
E0
sin t
1 2
x (2) E02 (1
cos 2t )
1 4
x
(3)
E
3 0
(3sin
t
sin
3t
)
(4.5)
1 2
x
(
2)
E
2 0
( x (1) E0
3 4
x (3) E03 ) sin t
1 2
x (2)
E02
cos 2t
1 4
x (3)
E03
sin 3t
P0 P1 P2 P3
非线性效应
一、光参量放大
光参量放大是一种和频与差频的非线性效应。将两种不同频率的光入射到晶体中，则
有
E E01 sin 1t E02 sin 2t
(4.12)
其中， 1 为弱信号光的频率， 2 为强高频光的频率。由于有非线性效应，故
P E012 sin2 1t E022 sin2 2t 2E01E02 sin 1t sin 2t
第四章 非线性光学
非线性光学是现代光学的另一个重要分支，它是研究强光的光学规律的一门学科，与 新材料、新技术有密切的联系。
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。
非线性光学知识点总结
非线性光学知识点总结1. 非线性光学基础知识1.1 非线性极化在非线性光学中，光在介质中的传播会引起介质极化现象。
通常情况下，介质的极化与光场的电场强度成正比。
在非线性光学中，介质的极化与光场的电场强度不再呈线性关系，而是存在非线性极化效应。
非线性极化效应包括二阶非线性极化、三阶非线性极化等。
1.2 介质的非线性光学特性介质的非线性光学特性通常由介质的非线性极化特性决定。
不同类型的介质具有不同的非线性极化特性，如各向同性介质、各向异性介质、非晶介质等。
介质的非线性光学特性对于光的强度、频率、极化方向等都有影响。
2. 非线性光学效应2.1 二次谐波产生二次谐波产生是一种光学非线性效应，它是指当一个介质中的光场具有足够强的非线性极化能力时，光会发生频率加倍的现象。
这种效应通常用于频率加倍和广谱显示等光学应用。
2.2 自聚焦效应自聚焦效应是一种非线性光学效应，它是指在介质中传播的光束因介质本身的非线性光学特性而产生自聚焦的现象。
自聚焦效应可用于激光聚焦、钻孔加工等应用。
2.3 自相位调制效应自相位调制效应是一种光学非线性效应，它是指光在介质中传播时，介质的非线性光学特性引起了光场相位的调制现象。
自相位调制效应对于光信息处理、光通信等领域具有重要意义。
3. 非线性光学器件3.1 光学双折射晶体光学双折射晶体是一种常用的非线性光学器件，它具有很强的非线性极化特性，可用于二次谐波发生、自聚焦等应用。
3.2 光学相位共轭镜光学相位共轭镜是一种利用光学非线性效应实现的器件，它可以实现光的自相位调制、波前修正等功能，可应用于激光稳频、激光通信系统等领域。
3.3 光学非线性晶体光学非线性晶体是一种常用的非线性光学器件，它具有很强的非线性极化特性，可用于二次谐波发生、频率加倍、光学调制等应用。
4. 非线性光学应用4.1 激光频率加倍激光频率加倍是一种常用的非线性光学应用，它可以实现激光的频率加倍，从而获得更高的激光频率。
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)。
非线性光学的基本原理与应用
非线性光学的基本原理与应用非线性光学是研究光与物质相互作用时引起的非线性效应的一门学科。
与线性光学不同，非线性光学研究的是强光场下，光与物质之间的非线性相互作用过程。
它涉及到光强、偏振、频率等多个方面的因素，包括一些重要的效应和现象，如倍频、和谐生成、光学全息、自聚焦等。
非线性光学不仅在基础研究方面有重要作用，同时在信息处理、光通信、激光技术等众多领域也有广泛应用。
一、基本原理：非线性光学的基本原理可以从哈密顿量的角度进行解释。
在经典电动力学中，电子受到电磁场的作用时，其运动方程为：m(d²r/dt²) = -e(E + v×B)其中，m为电子的质量，r为电子的位置矢量，t为时间，e为电子的电荷量，E为电磁场对电子的电场，B为电磁场对电子的磁场，v为电子的速度。
在非线性光学中，介质的极化强度与电场的关系不再是线性的，而具有非线性的电场-极化关系。
这是因为电子在强光场作用下，其运动方程中的二次项和更高次项不能忽略。
二、效应与应用：1.倍频现象：倍频效应是非线性光学中最常见的效应之一。
它利用非线性光学晶体的非线性光学性质，将输入光的频率倍增。
这种倍频现象被广泛应用于激光技术领域，可用于制造高功率激光器、红外光学器件等。
2.和谐生成：和谐生成是通过非线性光学晶体实现将输入光的频率与光学晶体本身的特征频率相结合的过程。
这种效应可以用于制造光学频率标准器、精密测量仪器等。
3.光学全息：光学全息是利用非线性光学效应来记录和再现物体的全息图像。
它具有高分辨率、大容量等优点，在图像存储、光学图像处理等方面有广泛应用。
4.自聚焦：自聚焦效应是在大光强场作用下，物质的折射率随光强变化而引起的对光的聚焦。
这种效应广泛应用于激光切割、光通信等领域。
5.光学非线性材料：非线性光学材料是利用非线性光学效应制备的材料，具有改变光学特性、电光效应、光致变色等特点。
这类材料在信息存储、光通信、光信息处理等方面有广泛应用。
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。
201X非线性光学(复习)
2015非线性光学复习绪论非线性光学进展发展阶段，重要事件（时间），著作第一章光与物质相互作用的经典理论非简谐振子模型, 电极化强度P(n), 极化率的一般性质补充一晶体学基面础晶系的划分，晶体的对称性，点群表及国际符号，点群国际符号对应方向补充二晶体性质的数学描述张量的基本知识，张量分量的坐标变换，对称矩阵及逆变换，坐标变换矩阵，宏观对称性对张量分量的约化第三章光波在非线性介质传播的电磁理论光波在晶体中传播特性，波法线菲涅耳方程，光在单轴晶体中的传播规律，折射率椭球及折射率曲面，耦合波方程，相位匹配概念及方法，相位匹配条件及偏振分析第四章二阶非线性光学效应线性电光效应，光学整流效应，谐波、和频及差频，有效非线性系数，光参量放大与振荡，参量振荡的频率调谐第五章三阶非线性光学效应自聚焦效应、三次谐波的产生，四波混频，双光子吸收，受激Raman散射第七章四波混频与光学相位共轭四波混频与光学相位共轭第一章 非线性光学极化率的经典描述线性光学过程的经典理论 1、光和物质相互作用的经典理论组成物质的原子、分子，在入射光波电磁场作用下感生出电偶极矩， 运动产生电磁波辐射。
2、谐振模型原子（分子）中电子在光频电磁场驱动下，作带阻尼的强迫运动。
3、光的散射与吸收、发射非线性光学可观察的非线性光学效应，通常要用激光，甚至脉冲强激光 1、非线性过程A 、强光在介质中感应出非线性响应（本构方程）B 、介质反作用，非线性的改变光场（Maxwell eqs ） 耦合波方程组2、电极化强度 P (n) （1.2-35~38）3、非简谐振子模型ω02 x + a x 2 + b x 3 + … 谐振子 非简谐振子线性 二阶 三阶 … 非线性4、非线性光学极化率的对称性 ㈠ 两个普遍关系真实性条件：),,;(),,;(1)(1)(11n n j j i n n j j i n n ωωωχωωωχσσ--=-*ΛΛΛΛ (E ,P 实数)本征对易对称性: ),,;(),,;(1)(1)(11n n j j i n n j j i n n P ωωωχωωωχσσΛΛΛΛ-=-∧算符∧P 代表数对),(,),,(11n n j j ωωΛ的任何交换 ㈡ 透明(无损耗)介质:① 完全对易对称性: 上式中的算符∧P 还包括数对),(σωi 与其它数对的任何交换.这一对称性把同一阶的不同非线性光学效应的极化率分量之间建立关系.② Kleinman 对称性: 当介质为弱色散时, 非线性光学极化率基本上与频率无关. 例如二阶非线性极化率),;()2(βασωωωχ-ijk 若满足此对称性时便有Λ=-=-=-),;(),;(),;()2()2()2(βασβασβασωωωχωωωχωωωχjki jik ijk它使极化率的独立分量数目大为减少. 简并度:1212!(......)!!......!r r N M M M N M M M +++=㈢ 空间对称性:晶体具有空间对称性,各阶非线性极化率的分量之间有一定关系,使极化率的独立分量数目大为减少.设坐标变换：j ij i e A e ='，n 阶张量T , 经过座标变换,变成T ')(...)(......n f abc lf kc jb ia n lijk T A A A A T='如果坐标变换是按对称操作R ˆ进行,则有T T ='。
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
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非线性光学课件
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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
非线性光学复习材料
非线性光学复习资料1. 高斯单位制下的麦克斯韦方程组，并由此推导波动方程：2222224)(1)(tc t c NL∂∂-=∂∙∂+⨯∇⨯∇P E E πε 高斯单位制下麦克斯韦方程组tc c tc ∂∂+=⨯∇=⋅∇∂∂-=⨯∇=⋅∇Ej B B BE E 14014ππρ2. 线性光学与非线性光学的主要区别。
A 为线性光学，B 为非线性光学 E（1）A ：单束光在介质中传播，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。
B ：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)。
（2）A ：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。
B ：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。
（3）A ：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；B ：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、自聚焦等)。
（4）A ：光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间一般呈线性关系；B ：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。
（5）多束光在介质中交叉传播，各束光的相位信息彼此不能相互传递。
B ：多束光在介质中交叉传播，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)。
3. 写出电场强度的付氏振幅的表达形式，并对电强度进行付氏分解。
对于角频率为1ω、波矢为1k 、初相位为1φ的单色平面波：)cos()(),(11111φωω-∙-=r k E r E t t)cos()(),(11111φωω-∙-=r k E r E t t引入付氏振幅：])(exp[)(21),(1111φωω+∙=r k E E i r将其所代表的单色平面波改写成：)exp(),()exp(),(),(11111t i t i t ωωωωr E r E r E *+-=这样，（1-2-3）式可改写成对称形式：)exp(),()exp(),(),(11111t i t i t ---+-=ωωωωr E r E r E其中n n -=-ωω ，),(),(r E r E n n -*=ωω， n 为整数。
非线性光学a(1---3.4)
1、激光技术从1960年诞生到现在，已经历了近半 个 世纪的发展时间。它的出现，标志着人类对光频 相干电磁辐射的产生手段、控制能力及其与物质 相互作用规律的认识，均达到了一个新的阶段。 2. 由于激光器的工作原理与普通光源的发光机理不同，所以 能从根本上突破以往各种普通光源的种种局限性，赋予古 老的光学以新的强大生命力，从而引起各种光学应用技术 的革命性进展，并极大地促进了各种基础学科的发展。 3. 在物理学领域内，出现了一门崭新的学科——非线 性光学的出现与发展。
E
的一次方项。
（3）光与物质相互作用的现象
折射、散射、吸收等与光场呈线性关系
2、非线性光学： 强光场与物质相互作用，物质与 光场呈非线性效应关系
（1）强光与物质相互作用的基本理论
强光入射到介质中时，电极化强度矢量 与光场
更一般的幂级数关系：
E
P 之间不再成简单的线性关系，而是成
1 2
2
P E E E
1 P 0 E
0
真空介电系数。
（2.1-1）
式中， 1 称为介质的电极化系数，线性电极化率。
（1）当一束单色简谐光波入射到介质中时
单色简谐波： E E0 cos(t kz)
1 介质内的电极化强度矢量： P 0 E0 cos(t kz)
二十世纪八十年代，倍受人们注意的非线性光学新研究课 题是光学分叉和混沌、光的压缩态、多光子原子电离现象等。 目前非线性光学逐渐由基础研究阶段进入应用基础研究和应用 研究阶段。
§1.2 强激光与物质相互作用的主要特性
1、激光的特点
激光是受激辐射，普通光源是自发辐射，这是它们的本 质区别，因而激光具有普通光源所没有的特点：
非线性光学现象及其应用
非线性光学现象及其应用光学是研究光的传播、产生、探测和应用的科学，而非线性光学则是光学中的一个重要分支领域。
非线性光学现象是指在光场与物质相互作用时，光的传播特性不再遵循线性叠加原理，而呈现出非线性效应的现象。
非线性光学现象的研究不仅深化了人们对光与物质相互作用的理解，还为光学技术的发展提供了新的思路和方法。
本文将介绍非线性光学现象的基本原理、常见现象及其在实际应用中的重要意义。
一、非线性光学现象的基本原理在介绍非线性光学现象之前，首先需要了解光的线性性质和非线性性质。
在光学中，线性性质是指光的传播过程中，光的强度与光场本身成正比，遵循叠加原理；而非线性性质则是指光的传播过程中，光的强度与光场本身的平方、立方或更高次幂成正比，不再满足叠加原理。
非线性光学现象的产生主要是由于光与物质相互作用时，光场的强度较大，使得物质的极化率与光场的强度不再成线性关系。
在非线性光学中，最常见的非线性效应包括自聚焦效应、自相位调制效应、光学倍频效应、光学混频效应等。
这些非线性效应的产生，使得光在传播过程中呈现出许多奇特的现象，丰富了光学的研究内容，也为光学技术的发展带来了新的机遇。
二、非线性光学现象的常见现象1. 自聚焦效应自聚焦效应是指在介质中传播的光束由于非线性效应而使得光束自身聚焦的现象。
当光束传播过程中光强较大时，光场会对介质的折射率产生影响，使得光束逐渐聚焦。
自聚焦效应不仅可以改变光束的传播特性，还可以应用于激光聚焦、激光切割等领域。
2. 自相位调制效应自相位调制效应是指光束在介质中传播时，由于介质的非线性极化效应而导致光场相位的调制现象。
这种效应可以用来实现光的调制、相位调制和波长调制，广泛应用于光通信、光信息处理等领域。
3. 光学倍频效应光学倍频效应是指当光束通过非线性介质时，由于介质的非线性极化效应而导致光的频率加倍的现象。
这种效应可以实现光的频率转换，将原始光的频率倍增，广泛应用于激光器、光谱分析等领域。
非线性光学复习总结
一.非线性基本概念线性极化率的基本概念:一、电场的复数表示法：E(r,t)=1/2E(r,ω)exp(-iωt)+c.c. (1)E(r,t)=Re{E(r,ω)exp(-iωt)} (2)E(r,t)=1/2E(r,ω)exp(-iωt) (3)以上三者物理含义是一致的，其严格数学表示是（1）式。
（注意是数学表达式，所以这种表示法主要还是为了运算的方便，具体那些系数、共轭神马的物理意义是其次的，不用太纠结。
）称为复振幅，代表频率为的简谐振动，的频率仅是数学描述，物理上不存在。
1/2是归一化系数。
即可或Re{ }对于线性算符，可采用（3）式进行简化计算，然后加c.c. 1）式的数学形式计算对非线性算符，必须采用（：某时刻的电场只能引起在此时刻以后介质的响应，而对此时刻以前的介质响应二、因果性原理时刻的光t没有贡献。
也可以这样说，当光在介质中传播时，t时刻介质所感应的极化强度P(t)不仅与（先有电场电场有关，也与此前的光电场有关。
E，后有极化P）与此相关的是时间不变性原理：在某时刻介质对外电场的响应只与此前所加电场的时间差有关，而与所取的时间原点无关。
内电场的作用，=dτ之前附近的一段微小时间于是，极化强度表达的思路即是先找到时刻tt-τ再对从电场产生开始以来的时间进行积分，求得总的效应。
时刻电场，影响其后的极化：τ时刻的极化，来自其前面t时刻的电场贡献：或t 时刻的电场贡献：时刻的极化，来自前面三、线性极化率：其中四、介电常数（各向同性介质）：五、色散：由于因果性原理，导致必然是频率的函数，即介质的折射率和损耗都随光波长变化，称为色散现象。
正常色散：折射率随波长增加而减小。
:关系六、KK以上两式为著名的KK色散关系，由K-K关系课件，只要知道极化率的实部和虚部中任何一个与频率的函数关系（光谱特性）就可通过此关系求出另外一个。
以，：,件真同张量样满足实性条所率极线性化这两式是线性极化率的KK关系。
2015非线性光学(复习)讲解
2015非线性光学复习绪论非线性光学进展发展阶段，重要事件（时间），著作第一章光与物质相互作用的经典理论非简谐振子模型, 电极化强度 P(n), 极化率的一般性质补充一晶体学基面础晶系的划分，晶体的对称性，点群表及国际符号，点群国际符号对应方向补充二晶体性质的数学描述张量的基本知识，张量分量的坐标变换，对称矩阵及逆变换，坐标变换矩阵，宏观对称性对张量分量的约化第三章光波在非线性介质传播的电磁理论光波在晶体中传播特性，波法线菲涅耳方程，光在单轴晶体中的传播规律，折射率椭球及折射率曲面，耦合波方程，相位匹配概念及方法，相位匹配条件及偏振分析第四章二阶非线性光学效应线性电光效应，光学整流效应，谐波、和频及差频，有效非线性系数，光参量放大与振荡，参量振荡的频率调谐第五章三阶非线性光学效应自聚焦效应、三次谐波的产生，四波混频，双光子吸收，受激Raman散射第七章四波混频与光学相位共轭四波混频与光学相位共轭第一章 非线性光学极化率的经典描述线性光学过程的经典理论1、光和物质相互作用的经典理论组成物质的原子、分子，在入射光波电磁场作用下感生出电偶极矩， 运动产生电磁波辐射。
2、谐振模型原子（分子）中电子在光频电磁场驱动下，作带阻尼的强迫运动。
3、光的散射与吸收、发射非线性光学可观察的非线性光学效应，通常要用激光，甚至脉冲强激光1、非线性过程A 、强光在介质中感应出非线性响应（本构方程）B 、介质反作用，非线性的改变光场（Maxwell eqs ） 耦合波方程组 2、电极化强度 P (n) （1.2-35~38） 3、非简谐振子模型ω02 x + a x 2 + b x 3 + … 谐振子 非简谐振子线性 二阶 三阶 … 非线性4、非线性光学极化率的对称性 ㈠ 两个普遍关系真实性条件： ),,;(),,;(1)(1)(11n n j j i n n j j i n n ωωωχωωωχσσ--=-* (E ,P 实数) 本征对易对称性: ),,;(),,;(1)(1)(11n n j j i n n j j i n n P ωωωχωωωχσσ -=-∧算符∧P 代表数对),(,),,(11n n j j ωω 的任何交换 ㈡ 透明(无损耗)介质:① 完全对易对称性: 上式中的算符∧P 还包括数对),(σωi 与其它数对的任何交换.这一对称性把同一阶的不同非线性光学效应的极化率分量之间建立关系.② Kleinman 对称性: 当介质为弱色散时, 非线性光学极化率基本上与频率无关. 例如二阶非线性极化率),;()2(βασωωωχ-ijk 若满足此对称性时便有=-=-=-),;(),;(),;()2()2()2(βασβασβασωωωχωωωχωωωχjki jik ijk 它使极化率的独立分量数目大为减少. 简并度:1212!(......)!!......!r r N M M M N M M M +++=㈢ 空间对称性:晶体具有空间对称性,各阶非线性极化率的分量之间有一定关系,使极化率的独立分量数目大为减少.设坐标变换：j ij i e A e ='，n 阶张量T , 经过座标变换,变成T ')(...)(......n f abc lf kc jb ia n l ijk T A A A A T ='如果坐标变换是按对称操作Rˆ进行,则有T T ='。
非线性光学讲解
非线性介质: 非线性极化系数比较大的介质
(1) 强光与被动介质相互作用的非线性现象， 如光学整流，光学倍频与混频，光自聚焦等等。 (2) 强光与激活介质相互作用的非线性光学现象， 如受激拉曼散射和受激布里渊散射等。
一. 光学倍频和混频
1 光学倍频
设入射光波的电场为
E E0 cos t
忽略介质的三次以上的非线性极化项，
§13-3 非线性光学
非线性光学: 强激光与物质相互作用 强光和弱光的划分: 比较 E与 E’ 的大小 E: 光场的强度 E’: 组成物质的分子或原子内部的平均电场强度 普通光源的光,
E 1 ' E
线性关系
强激光，E与 E’可比拟, 光场与物质作用的非线性关系明显.
如光学倍频和混频,
光学相位共轭,
仅保留到二阶项，则有
P 1 E10 cos 1t E20 cos 2t 2 E10 cos 1t E20 cos 2t 1 E10 cos 1t 1 E20 cos 2t
2
( 基频项 )
1 2 2 1 2 1 cos 2 2t ( 直流项和倍频项 ) E10 1 cos 21t 2 E20 2 2
P 1 E0 cos t 2 E0 cos 2 t 1 2 2 1 2 2 E0 cos t E0 E0 cos 2t 2 21基频项光学整流光学倍频
2 光学混频
当入射光中同时包含两种频率成分时，即当
E E10 cos 1t E20 cos 2t
光学参量与振荡,
自聚焦,
光的受激散射, 光致透明, 多光子吸收...
各向同性介质
P 1 E 2 E 2 3 E 3
非线性光学（复习）
非线性光学（复习）2015非线性光学复习绪论非线性光学进展发展阶段，重要事件（时间），著作第一章光与物质相互作用的经典理论非简谐振子模型, 电极化强度 P(n), 极化率的一般性质补充一晶体学基面础晶系的划分，晶体的对称性，点群表及国际符号，点群国际符号对应方向补充二晶体性质的数学描述张量的基本知识，张量分量的坐标变换，对称矩阵及逆变换，坐标变换矩阵，宏观对称性对张量分量的约化第三章光波在非线性介质传播的电磁理论光波在晶体中传播特性，波法线菲涅耳方程，光在单轴晶体中的传播规律，折射率椭球及折射率曲面，耦合波方程，相位匹配概念及方法，相位匹配条件及偏振分析第四章二阶非线性光学效应线性电光效应，光学整流效应，谐波、和频及差频，有效非线性系数，光参量放大与振荡，参量振荡的频率调谐第五章三阶非线性光学效应自聚焦效应、三次谐波的产生，四波混频，双光子吸收，受激Raman散射第七章四波混频与光学相位共轭四波混频与光学相位共轭第一章非线性光学极化率的经典描述线性光学过程的经典理论1、光和物质相互作用的经典理论组成物质的原子、分子，在入射光波电磁场作用下感生出电偶极矩，运动产生电磁波辐射。
2、谐振模型原子（分子）中电子在光频电磁场驱动下，作带阻尼的强迫运动。
3、光的散射与吸收、发射非线性光学可观察的非线性光学效应，通常要用激光，甚至脉冲强激光1、非线性过程A 、强光在介质中感应出非线性响应（本构方程）B 、介质反作用，非线性的改变光场（Maxwell eqs ）耦合波方程组 2、电极化强度 P (n) （1.2-35~38） 3、非简谐振子模型ω02 x + a x 2 + b x 3 + … 谐振子非简谐振子线性二阶三阶… 非线性4、非线性光学极化率的对称性㈠两个普遍关系真实性条件： ),,;(),,;(1)(1)(11n n j j i n n j j i n n ωωωχωωωχσσ--=-*ΛΛΛΛ (E ,P 实数) 本征对易对称性: ),,;(),,;(1)(1)(11n n j j i n n j j i n n P ωωωχωωωχσσΛΛΛΛ-=-∧算符∧P 代表数对),(,),,(11n n j j ωωΛ的任何交换㈡透明(无损耗)介质:① 完全对易对称性: 上式中的算符∧P 还包括数对),(σωi 与其它数对的任何交换.这一对称性把同一阶的不同非线性光学效应的极化率分量之间建立关系.② Kleinman 对称性: 当介质为弱色散时, 非线性光学极化率基本上与频率无关. 例如二阶非线性极化率),;()2(βασωωωχ-ijk 若满足此对称性时便有Λ=-=-=-),;(),;(),;()2()2()2(βασβασβασωωωχωωωχωωωχjki jik ijk 它使极化率的独立分量数目大为减少.简并度:1212!(......)!!......!r r N M M M N M M M +++= ㈢空间对称性:晶体具有空间对称性,各阶非线性极化率的分量之间有一定关系,使极化率的独立分量数目大为减少.设坐标变换：j ij i e A e ='，n 阶张量T , 经过座标变换,变成T ')(...)(......n f abc lf kc jb ia n l ijk T A A A A T ='如果坐标变换是按对称操作R进行,则有T T ='。
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2015非线性光学复习
绪论非线性光学进展
发展阶段，重要事件（时间），著作
第一章光与物质相互作用的经典理论
非简谐振子模型, 电极化强度 P(n), 极化率的一般性质
补充一晶体学基面础
晶系的划分，晶体的对称性，点群表及国际符号，点群国际符号对应方向
…
补充二晶体性质的数学描述
张量的基本知识，张量分量的坐标变换，对称矩阵及逆变换，坐标变换矩阵，宏观对称性对张量分量的约化
第三章光波在非线性介质传播的电磁理论
光波在晶体中传播特性，波法线菲涅耳方程，光在单轴晶体中的传播规律，折射率椭球及折射率曲面，耦合波方程，相位匹配概念及方法，相位匹配条件及偏振分析
第四章二阶非线性光学效应
线性电光效应，光学整流效应，谐波、和频及差频，有效非线性系数，光参量放大与振荡，参量振荡的频率调谐
第五章三阶非线性光学效应
自聚焦效应、三次谐波的产生，四波混频，双光子吸收，受激Raman散射
—
第七章四波混频与光学相位共轭
四波混频与光学相位共轭
第一章 非线性光学极化率的经典描述
线性光学过程的经典理论
1、光和物质相互作用的经典理论
组成物质的原子、分子，在入射光波电磁场作用下感生出电偶极矩， ,
运动产生电磁波辐射。
2、谐振模型
原子（分子）中电子在光频电磁场驱动下，作带阻尼的强迫运动。
3、光的散射与吸收、发射
非线性光学
可观察的非线性光学效应，通常要用激光，甚至脉冲强激光 1、非线性过程 …
A 、强光在介质中感应出非线性响应（本构方程）
B 、介质反作用，非线性的改变光场（Maxwell eqs ） 耦合波方程组
2、电极化强度 P (n) （~38）
3、非简谐振子模型
ω02 x + a x 2 + b x 3 + … 谐振子 非简谐振子
线性 二阶 三阶 … 非线性
<
4、非线性光学极化率的对称性 ㈠ 两个普遍关系
真实性条件： ),,;(),,;(1)
(1)(11n n j j i n n j j i n n ωωωχωωωχσσ--=-* (E ,P 实数) 本征对易对称性: ),,;(),,;(1)(1)(11n n j j i n n j j i n n P ωωωχωωωχ
σσ -=-∧
算符∧
P 代表数对),(,),,(11n n j j ωω 的任何交换 ㈡ 透明(无损耗)介质:
① 完全对易对称性: 上式中的算符∧
P 还包括数对),(σωi 与其它数对的任何交换.这一对称性把同一阶的不同非线性光学效应的极化率分量之间建立关系.
② Kleinman 对称性: 当介质为弱色散时, 非线性光学极化率基本上与频率无关. 例如二阶非线性极化率),;()
2(βασωωωχ-ijk 若满足此
对称性时便有
）
=-=-=-),;(),;(),;()
2()
2()
2(βασβασβασωωωχωωωχωωωχjki jik ijk
它使极化率的独立分量数目大为减少. 简并度:
1212!
(......)!!......!
r r N M M M N M M M +++=
㈢ 空间对称性:
晶体具有空间对称性,各阶非线性极化率的分量之间有一定关系,使极化率的独立分量数目大为减少.
设坐标变换：j ij i e A e ='
，n 阶张量T , 经过座标变换,变成T '
)(...)(......n f abc lf kc jb ia n l ijk T A A A A T ='
，
如果坐标变换是按对称操作R
ˆ进行,则有T T ='。
联合两式便可找到张量各分量之间的关系,从而减少了极化率的独立分量数目. 利用空间对称性还可以证明, 具有中心反射对称性的介质,必定不存在偶数阶的非线性光学效应.
补充晶体学基础和数学描述
晶系的划分：7大晶系, 14种布拉菲格子
对称元素种类：对称中心(center of symmetry)，对称面(symmetry plane)，对称轴(symmetry axis)，倒转轴(rotoinversion axis)，映转轴(rotoreflection axis)
点群表及国际符号：32种点群（表1-4）
点群国际符号对应方向：（表1-6）
张量的基本知识：对称二阶张量，下标简化（表2-3）
张量分量的坐标变换: 张量正变换，逆变换
…
对称矩阵及逆变换，
坐标变换矩阵: （表2-5）
宏观对称性对张量分量的约化: 四方晶系化简，对称中心的化简，常用晶体化简。
第三章光波在非线性介质内传播
（
光波在各向异性晶体中的传播
表
单轴晶体（正单轴晶体，负单轴晶体）折射率椭球
双轴晶体（计算不要求）
耦合波方程（推导不要求）
稳态平面波
准单色波
]
A、能量守恒，近似动量守恒（相位匹配）
B、方程通过P NL非线性地耦合在一起，实现各波之间转换，
P NL越大，（χ
eff
×泵浦场）越强，效应跃显著
常用近似（意义，条件）
A、慢变振幅近似：波在传播比波长大地多的距离后，才有显著的能量转移
B 、无限大平面近似：光束直径 >> 波长
C、泵浦强度近似：泵浦光转化率<<1。
}
相位匹配
角度相位匹配，温度相位匹配，90度相位匹配，缓冲气体相位匹配
表
Δk = k
1 + k
2
– k
3
n
1ω
1
+ n
2
ω
2
= n
3
ω
3
A、正常色散各向同性介质无法实现相位匹配
B、只能利用反向色散或双折射晶体达到光线相位匹配~
C、缓冲色体调节
第四章二阶非线性效应
三波混频的耦合波方程
信号光泵浦光生成光小信号理论下的
过程耦合波方程及其解
;
和频
差频
上参量
下参量
参量过程放大与参量振荡
比较过程，意义（用途），近似，结果，相互关系
$
如：差频产生远红外
无限大平面波（光速直径大于）可能不再适用
曼利－罗关系（4,3－24 ~ 26）, ~ 30) (N关系)
大信号理论下的结果：图, ,
限制高转换率的因素
如果泵浦功率保持不变，和频产生的输出功率随泵浦强度而增加．聚焦泵浦光束来达到较高的转换效率．然而，
1）'
2）激光强度太高会导致晶体内的光学损伤；
3）聚焦会使光束截面减小，可能减小其有效相互作用长度．
3）差的光束质员也会降低转换效率．多模激光束增大了逸散效应，从而减
小了相互作用长度．因此，为了获得高的转换效率，应采用具有TEM
00
模的光束．
有效非线性关系系数表
参量放大与参量振荡
和频的逆过程，可用单个泵浦光激发
:
谐振腔由两块平行的平面反射镜构成，
1)双共振的谐振腔的反射镜强烈反射频为ω
1和ω
2
的波；
2)单共振的谐振腔的反射镜只强烈反射频率为ω
1
或ω的波。
3)通常，反射镜对泵浦波透明。
单程参量增益很小，泵浦光无损耗。
[双共振参量振荡器]
优点
缺点：不稳定
参量振荡器的频率调谐<
1)角度调谐
2)温度调谐
第五章三阶非线性效应
1、Keer效应（）
光Keer效应三阶非线性效应
~
2、自聚焦：自聚焦是一种感应的透镜效应。
光束在非线性介质中传播时，由于光束具有横向分布 (如有高斯分布)，
介质折射率为n = n
+Δn (|E|2)，其中Δn 是光场感应的拆射率变化．
如果Δn是正的，导致n中心 > n边缘产生自聚焦。
1)、自聚焦常常是造成透明材料的光损伤的原因;
2)、对于介质中其它非线性过程，起很重要的作用,是SRS急剧地开始的原因;
3)、当对输入光束的自聚焦作用与衍射作用正好相互抵消时，光束直径不变，称做光束的自陷.
】
3、三次谐波
4、四波混频（三级过程）图
5、双光子吸收、受激Raman散射
ω -----[ ] ---- ω-Δω
[ ] ---- ω
Δω与介质有关
*
Δω > 0 Stokes
Δω < 0 反Stokes
SRS = 由自发Raman辐射生长出来的双光子受激过程，三阶过程。
高阶Raman效应 (图, 图, 方向特性)
高阶Stokes和反Stokes辐射, ω
s,n = ω±ω
fi
、应用
提供具有新的频率的强相干辐射；
高分辨率光谱学，研究物质性质（物质波方程）
理论不能解释重要的实验现象
比理论预计大得多的SRS增益，极尖锐的SRS阈，这些异常现象都起因于激光束在介质内的自聚焦。
第七章光学相位共轭
四波混频与光学相位共轭
相位共轭波及其物理意义
四波混频产生的相位共轭图－1
简并四波混频的输出波是与输入波相位共扼的反射波，可用来作为相位共轭镜。
修正输入波所遭受到的相位畸变引起的象差；放大任意波前的光波。