(整理)非线性光学复习材料.

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2015非线性光学(复习)

2015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--=-* (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 ='。

非线性光学晶体材料资料讲解

非线性光学晶体材料资料讲解
的限制, 得不到广泛应用. (2)从可见光到红外波段的频率转换晶体 • 磷酸盐: 磷酸二氢钾(KDP)结构型晶体和磷酸钛氧钾(KTP)型晶体
KDP特点: 具有优良的压电、电光和频率转换性能, 易生长, 得到广泛应用. KTP特点: 频率转换的”全能冠军”材料 • 碘酸盐晶体: -碘酸锂; 碘酸; 碘酸钾等 • 铌酸盐晶体: 铌酸锂; 铌酸钾; 铌酸锶钡等
三、光混频与光参量振荡
1. 光混频 入射两种不同频率的强光
E1 E10 cos1t E2 E20 cos 2t
E E1 E2
P ( E10 cos1t E20 cos 2t )
1 2
E102 ( 1
cos
21t
)
1 2
E 20 2
(
1
cos
2 2t
)
E10 E20[cos(1 2 )t cos(1 2 )t]
(3)紫外波段的频率转换晶体 偏硼酸钡(BBO)晶体: 倍频系数大, 倍频阈值功率高, 能在较宽的波段内实现 相位匹配, 激光损伤阈值高, 物理化学性能稳定. 三硼酸锂(LBO)晶体: 透光波段宽, 非线性光学系数大, 激光损伤阈值最高的 非线性光学晶体材料. LAP晶体: 非线性光学系数大, 紫外三倍频和四倍频转换效率高, 可制多频率 转换器.
0 (2) E10 cos(1t k1z)E20 cos(2t k2 z)
1 2
0
(2) (E120
E120 )
1 2
0
E (2) 2 10
cos[2(1t
k1z)]
1 2
0
E (2) 2 20
cos[2(2t
k2 z)]
0 (2)1020 cos[(1 2 )t (k1 k2 )z] 0 (2)1020 cos[(1 2 )t (k1 k2 )z]

(完整版)非线性光学材料小结

(完整版)非线性光学材料小结

非线性光学材料一、概述20 世纪60 年代, Franken 等人用红宝石激光束通过石英晶体,首次观察到倍频效应,从而宣告了非线性光学的诞生,非线性光学材料也随之产生。

定义:可以产生非线性光学效应的介质(一)、非线性光学效应当激光这样的强光在介质传播时,出现光的相位、频率、强度、或是其他一些传播特性都发生变化,而且这些变化与入射光的强度相关。

物质在电磁场的作用下,原子的正、负电荷中心会发生迁移,即发生极化,产生一诱导偶极矩p 。

在光强度不是很高时,分子的诱导偶极矩p 线性正比于光的电场强度E。

然而,当光强足够大如激光时,会产生非经典光学的频率、相位、偏振和其它传输性质变化的新电磁场。

分子诱导偶极矩p 就变成电场强度E 的非线性函数,如下表示:p = α E + β E2 + γ E3 + ⋯⋯式中α为分子的微观线性极化率;β为一阶分子超极化率(二阶效应) ,γ为二阶分子超极化率(三阶效应) 。

即基于电场强度E 的n 次幂所诱导的电极化效应就称之为n 阶非线性光学效应。

对宏观介质来说,p = x (1) E + x(2) E2 + x (3)E3 + ⋯⋯其中x (1) 、x(2) 、x(3) ⋯⋯类似于α、β、γ⋯⋯,表示介质的一阶、二阶、三阶等n 阶非线性系数。

因此,一种好的非线性光学材料应是易极化的、具有非对称的电荷分布的、具有大的π电子共轭体系的、非中心对称的分子构成的材料。

另外,在工作波长可实现相位匹配,有较高的功率破环阈值,宽的透过能力,材料的光学完整性、均匀性、硬度及化学稳定性好,易于进行各种机械、光学加工也是必需的。

易于生产、价格便宜等也是应当考虑的因素。

目前研究较多的是二阶和三阶非线性光学效应。

常见非线性光学现象有:①光学整流。

E2项的存在将引起介质的恒定极化项,产生恒定的极化电荷和相应的电势差,电势差与光强成正比而与频率无关,类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。

②产生高次谐波。

【大学物理必备】非线性光学

【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

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。

非线性光学知识点总结

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。

非线性光学考试知识答案培训资料

非线性光学考试知识答案培训资料

非线性光学考试知识答案1 说出电极化率的 4 种对易对称性,并说明满足的条件?本征对易对称性(不需要任何条件)、完全对易对称性(介质无耗)、时间反演对称性(介质无耗)、空间对称性χ(1)是对称张量(介质无耗); 2 说出下式的物理意义:表示由频率为ωm ,场振动方向为x 方向的场分量E x (ωm ),频率为ωn 、场振动方向为y 方向的场分量E y (ωn )以及频率为ωl ,场振动方向为z 方向的场分量E z (ω1 )三者间的非线性相互作用所引起的在x 方向上的三阶非线性电极化强度的一个分量。

3 对于二次谐波和三次谐波,相干长度的物理意义?参量过程中的位相匹配有和物理意义?举例说明两种实现位相匹配的方法?1)Lc 物理意义: 三次谐波强度第一次达到其最大值的路程长度,典型值为1~100mm.如∆K=0,Lc 为无穷大。

2) 位相匹配的物理意义:在位相匹配条件下,二次谐波和三次谐波等非线性效应产生过程效率会大到最高,相应的位相不匹配条件下,产生效率会大大降低。

3)利用晶体的双折射特性补偿晶体的色散效应,实现相位匹配。

在气体工作物质中,利用缓冲气体提供必要的色散,实现相 位匹配。

4 为什么参量振荡器能够产生连续输出频率,而激光器只能输出单个频率?能量守恒 ω3=ω1+ω2 动量守恒 n 3ω3=n 1ω1+n 2ω2改变温度、角度(对非常光)、电场、压力等可改变晶体的折射率,从而改变参量振荡器的输出频率1,2。

因此参量振荡器可实现连续调谐。

而激光振荡器是利用原子跃迁的机理工作的,不能连续调谐。

这是参量振荡器和激光振荡器的区别5 在拉曼散射中,为何观察不到高阶斯托克斯散射?在受激拉曼散射中,高阶斯托克斯散射 光却较强?高阶斯托克斯光的散射角有什么变化规律?由ωp ,ωs 非线性作用产生。

如一级反斯托克斯散射光ω's =ωp +ωv = ωp + ωp - ωs 由ωp , ωp , ωs 通过三阶非线性产生。

非线性光学讲义

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)

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 ='。

非线性光学复习材料

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。

光学中的非线性光学材料及其应用

光学中的非线性光学材料及其应用

光学中的非线性光学材料及其应用光学在现代社会中有着广泛的应用,如光通信、光存储、光计算等。

而非线性光学材料作为光学器件中不可或缺的一部分,正逐渐成为光学领域中研究的热点。

一、非线性光学材料的基础概念及分类非线性光学的研究始于上世纪50年代,随着技术的不断发展,人们对非线性光学的研究越来越深入。

非线性光学材料简单来说是指光在这些材料中传播时,随着光的强度的增加,材料响应也会非线性增加的材料。

在光学领域中,非线性光学材料通常被分为三类: 折射率非线性材料、吸收非线性材料、非线性色散材料。

折射率非线性材料指的是材料折射率会随着电磁场的变化而变化,其中又可以分为 Kerr(克尔)效应和 Pockels(波克尔斯)效应两种;吸收非线性材料实为受到光的反射、散射、吸收等情况的影响,使得材料对光的响应是非线性的;非线性色散材料指材料的色散特性是非线性的,例如二次谐波发生器。

二、非线性光学材料的应用非线性光学材料在光学通信、生物医学、军事安全等领域应用广泛。

以下以光学通信为例,探讨非线性光学材料的应用。

在光学通信中,为了提高信息传输速率和容量,一般需要采用波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing,简称WDM)。

在WDM技术中,数据通过不同的波长传输,而非线性光学效应可用于波长变换(Wavelength Conversion)和波长多播(Wavelength Multicasting)。

波长变换指将数据流从一个波长变为另一个波长。

克尔效应在其内部实现,因光该效应会导致非线性折射率发生变化,从而使不同波长的光子之间产生相互作用。

因此,使用非线性光学材料模拟器可以在不同波长之间保持相互关联并防止信号的干扰。

另外,非线性光学材料还可用于实现波长多播。

这是指在同一波长上将多个数据流同时发送。

在一个波长上可以同时拥有多个数据流,因此不同流可以在一个通道中传输。

这样一来,不但提高了信道的利用率,还能进行高速的多波长传输。

非线性光学材料

非线性光学材料

非线性光学材料非线性光学材料是指在外加光场的作用下,其光学性质不遵从麦克斯韦方程组的线性叠加原理,而表现出非线性效应的材料。

非线性光学材料具有一系列重要应用,如光通信、光存储、激光调制等,因此广泛应用于光学器件和光电子技术中。

非线性光学材料的非线性效应主要包括二次谐波产生、倍频效应、自聚焦效应、光学隐存效应等。

二次谐波产生是非线性光学材料中最常见的一种非线性效应。

当输入光场的频率为ω时,非线性光学材料会同时产生二次谐波,即频率为2ω的光。

这种现象可以用于频率倍增、频率加倍、频率转换等应用。

倍频效应是指非线性光学材料中输入光场的频率为ω时,其能够产生频率为nω的倍频光。

倍频效应广泛应用于激光技术中,可以将激光的频率提高至更高频率的光,以满足不同实验和应用的需求。

自聚焦效应是非线性光学材料在高光强下表现出的一种特殊现象。

当光场强度足够大时,非线性光学材料会表现出自聚焦效应,即光自动聚焦到材料内部。

这种现象可以用于激光束整形、光信息处理等应用。

光学隐存效应是指在光场作用下,非线性光学材料能够将光信息记录在其内部,并在之后的时间内隐约保持。

这种效应可以用于光存储、光信息处理等领域,具有重要的应用价值。

常见的非线性光学材料包括铁电晶体、光学玻璃、有机非线性材料等。

在实际应用中,非线性光学材料通常需要具备高非线性系数、低吸收损耗、长光学的非线性响应时间、稳定的化学性质等特点。

随着科学技术的发展,越来越多的非线性光学材料被开发出来,并在光学器件和光电子技术中得到广泛应用。

非线性光学材料的研究不仅为我们深入了解光学现象提供了新的途径,还为光电子技术的发展带来了新的可能性。

非线性光学整理笔记

非线性光学整理笔记

非线性光学整理笔记
二阶非线性光学效应:线性电光效应,光整流效应,三波混频及和频,差频产生,二次谐波产生。

三阶非线性光学效应:克尔效应与自聚焦现象,三次谐波产生,四波混频,双光子吸收,受激拉曼散射,受激布里渊散射散射。

SRS的机理可简单地理解如下:在受激拉曼散射中,相干的入射光子主要不是被热振动声子所散射,而是被受激声子散射,所谓受激声子,是指最初一个入射光子与热振动声子相碰撞产生一个斯托克斯光子,并增添一个受激声子,当入射光子再与这个增添的声子相碰撞时,再产生一个斯托克斯光子的同时,又增添了一个受激声子。

如此下去,便形成了一个产生受激声子的雪崩过程。

由于受激声子所形成的声波是相干的,入射激光是相干的,所以所产生的斯托克斯光也是相干的。

非线性光学材料

非线性光学材料
这类晶体广泛应用于激光频率转换、四波混频、光束转向、图象放大、光信息处理、光存储、光纤通讯、水 下通讯、激光对抗及核聚变等研究领域。
我国在非线性光学晶体研制方面成绩卓著,某些晶体处于世界领先地位 。
选择依据
选择依据
选择非线性光学材料的主要依据有以下几方面: ①有较大的非线性极化率。这是基本的但不是唯一的要求。由于激光器的功率可达到很高的水平,即使非线 性极化率不很大,也可通过增强入射激光功率的办法来加强所要获得的非线性光学效应; ②有合适的透明程度及足够的光学均匀性,亦即在激光工作的频段内,材料对光的有害吸收及散射损耗都很 小; ③能以一定方式实现位相匹配; ④材料的损伤阈值较高,能承受较大的激光功率或能量; ⑤有合适的响应时间,分别对脉宽不同的脉冲激光或连续激光作出足够响应。
1.KDP 型晶体
主要包括KH2PO4 和四方晶系的一些同构物及其氘代物晶体等。此类晶体生长简单,容易得到高质量的单晶, 能够得到90°的相位匹配,适合于高功率倍频。虽然它们的非线性系数较小,但在高功率下并不妨碍获得高的转 换效率。
2.KTP 型晶体
主要包括KTiOPO4以及正交晶系的同构物等。KTP 晶体具有非线性系数大,吸收系数低,不易潮解,很难脆 裂,化学稳定性好,易加工和倍频转换效率高等优点,是一种优良的非线性光晶体,但紫外透过能力差限制了它 在紫外区的应用。
1.有机低分子非线性光学材料 主要包括如尿素及其衍生物,希夫碱系化合物,偶氮化合物,二苯乙烯类化合物,稠杂环化合物,酞菁类化 合物,有机盐类等一系列含发色团的具有π共轭链的近紫外吸收的小分子化合物材料。 有机分子具有大的离域的π电子共轭结构,易被极化,具有较大的非线性光学系数,易于设计和裁剪组合, 易于加工成型,便于器件化。另外,它们成本相对较低,介电常数低,光学响应快以及与铁电无机晶体可比拟或 远远超过的非共振光学极化率。所以可通过分子设计并合成的方法改变结构开发出新型结构材料。 2.

非线性光学复习总结

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。

非线性光学材料

非线性光学材料

非线性光学材料
随着科技的发展,非线性光学材料正在变得日益重要。

它们具有许多独特的特性,可以用于多种应用领域,如电力传输、生物医学和光学通信。

在本文中,我们将研究非线性光学材料的结构,其特性和可能的应用。

(正文)
非线性光学材料是指一类具有特殊物理性质的材料,它们能够将光能量转换成电能量,或电能量转换成光能量。

这种称为“非线性”的性质也使它们具有众多独特的应用。

结构上,非线性光学材料主要由不同的结构单元组成,这些单元具有不同的物理性质。

典型的结构单元包括金属、氧化物和有机溶剂。

这些单元之间可能形成复合结构,其中包括结构、电荷转移和光学特性等。

从物理性质的角度来看,非线性光学材料的最大特点是其光学非线性性。

该材料具有三种主要的光学非线性特性,即:折射率可调谐、光学矢量可变和偏振激发力。

由于这些特性,非线性光学材料可用于实现许多应用,如快速数据传输、光电安全系统、太阳能收集、光学探测和定位等。

此外,非线性光学材料的强度与普通的线性光学材料相比也有很大的不同。

非线性光学材料在高功率应用中可以将较低的能量转换成较高的能量,这使得它们特别适合用作电力传输的设备。

(结论)
综上所述,非线性光学材料是一类具有特殊物理性质的材料,其特性使它们在多种应用领域具有重要意义。

非线性光学材料能够将光能量转换成电能量,可以用于电力传输、生物医学和光学通信等领域。

此外,它们也具有较高的功率,因此可以在高功率应用中大大提高效率。

非线性光学(复习)

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 ='。

主要的非线性光学材料共41页

主要的非线性光学材料共41页
13、遵守纪律的风气的培养,只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致,是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15生活要有意义,不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰,也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人,而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着,就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书,莫被书掌握;要为生而读,莫为读而生。——布尔沃
主要的非线性光学材料
11、战争满足了,或曾经满足过人的 好斗的 本能, 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ,破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果, 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
END
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{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t c c tc ∂∂+=⨯∇=⋅∇∂∂-=⨯∇=⋅∇Ej B B B E 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. (4.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 nn -*=ωω, n 为整数。

这样由N 个频率分别为n ω、波矢为n k 、初相位为n φ的单色平面波组成的光波场),(t r E 就可表示为:)exp(),(),(t i t nNNn nωω-=∑-=r E r E5. 非线性极化张量的宏观性质及相应得推导过程:(1)真实性条件:),,()2(m n s ωωω-χ是复张量,它的复共轭张量满足: ]),,(),,()2()2(m n s m n s ωωωωωω--=-*χχ证明。

因为),()2(r P s ω是频率为s ω的二次非线性极化矢量),(t r P (2)s 的付氏振幅,所以有:)exp(),()exp(),(),()2()2(t i t i t s s s s ωωωωr P r P r P -+-=(2)s),(t r P (2)s 为实数,所以:),(),()2()2(r P r P s s ωω*=-(1)按照),(),(),,(),()2()2(r E r E χr P m n m n m n s sm n ωωωωωωωωωω:--=∑=+,有:),(),(),,(),(),(),,(),()2()2()2(r E r E χr E r E χr P m n m n s m n m n s s sm n sm n ωωωωωωωωωωωωωωωωω**=+=+--=----=-∑∑:: (2)而对),(),(),,(),()2()2(r E r E χr P m n m n m n s sm n ωωωωωωωωωω:--=∑=+式两边取复共轭得:(),(),(),,(),()2()2(r E r E χr P m n m n s s sm n ωωωωωωωωω***=+*--=∑: (3)比较(2)和(3)两式可得:),,(),,()2()2(m n s m n s ωωωωωω--=-*χχ(2)本征对易对称性:),,(m n s ωωω-)ijk χ(2对),(n j ω和),(m k ω这两对指标可以成对交换而其值不变:),,(),,(n m s m n s ωωωχωωωχ-=-)ikj )ijk (2(2证明。

考虑频率为n ω、m ω的两光波与非线性介质的相互作用,其频率mn s ωωω+=的二次非线性极化强度的i 分量可表示为:])(exp[),(),(),,(),,()2()2(t i E E t P m n m k n j m n s ijk m n s i ωωωωωωωχωωω+--=+=r r r(1) $上式的意义是频率为n ω光波场的j 分量和频率为m ω光波场的k 分量与非线性介质相互作用产生频率为)(m n ωω+的二次极化强度的i 分量。

同理,其频率nm s ωωω+=的二次非线性极化强度的i 分量可表示为:])(exp[),(),(),,(),,()2()2(t i E E t P n m n j m k n m s ikj n m s i ωωωωωωωχωωω+--=+=r r r (2)(2)式的意义是频率为m ω光波场的k 分量和频率为n ω光波场的j 分量与非线性介质相互作用产生频率为)(n m ωω+的二次极化强度的i 分量。

根据实际的物理过程,(1)(2)两式应该相等,因此有:),,(),,(n m s m n s ωωωχωωωχ-=-)ikj )ijk (2(2(3)完全对易对称性,如果光波频率都远离介质的吸收区,则),,(m n s ωωω-)ijk χ(2可近似取成实数,这时对),(s i ω- 、),(n j ω 、),(m k ω三对指标都具有成对交换对成性:),,(),,(),,(s n m m s n m n s ωωωχωωωχωωωχ-=-=-)kji )jik )ijk (2(2(2(4)凡是具有对称中心的介质和具有反演中心的晶体,它的偶次非线性极化张量恒为零,即:0)2(≡n χ 6. $7.321ωωω=+和频过程的曼利-罗关系的物理意义:z N z N z N ∂∂-=∂∂=∂∂321,321,,N N N 分别为通光方向上频率321,,ωωω光波的平均光子流密度。

物理意义 :上式表示频率为1ω、2ω光波的平均光子流密度变化率相等,并且和3ω光波的平均光子流密度数值上相等但符号相反,也就是说,在无损耗非线性介质内三波耦合过程中,通过介质的二次非线性极化三波之间相互交换能量,随着传播距离的增加,每产生一个频率为1ω的光子,必定同时产生一个频率为2ω的光子,并同时湮灭一个频率为3ω的光子。

或者说,产生一个频率为3ω的光子,同时湮灭一个频率为1ω的光子和一个频率为2ω的光子。

从结果来看上上述两种过程,一种相当于一个1ω的光子和一个2ω的光子合成一个3ω的光子;另一种反过程相当于一个3ω的光子分裂为一个1ω的光子和一个2ω的光子。

8. 以倍频为例说明相位匹配的意义,并列举两种实现相位匹配的方法及基本原理。

相位匹配即要求倍频过程中0221=-=k k k ∆,其中21,k k 分别为基频波和倍频波的波失。

欲满足完相位配条件:0=k ∆,必须有: 21n n =,即基频波和倍频波的折射率相等或着说参与相互作用的基频波和倍频波具有相同的相速度。

然而,由于介质的色散,一般情况下基频波和倍频波的折射率是不相等的,即21n n ≠,不满足相位匹配条件。

然而,可以在特定条件下,使这两个波的折射率相等。

具体方法有:(1)角度相位匹配,作为各向异性介质单轴晶体具有双折射特性。

在倍频情况下,将基频波和倍频波选择不同偏振态的光,通过o 光、e 光折射率的不同可以补偿正常色散所造成的折射率差,选择特定光的传播方向使之达到相位匹配。

(2)温度相位匹配,利用其折射率的双折射量与色散是其温度敏感函数的特点,即e n 随温度的改变量比o n 随温度的改变量大得多,通过调节晶体的温度,实现90=m θ的相位匹配。

(3)准位相匹配,通过周期性改变某些铁电晶体自发极化方向,可实现对晶体非线性极化率的周期调制,从而引入相应的倒格失弥补光倍频过程中由于折射率色散造成的基波和谐波之间的位相失配,以获得非线性光学效应的增强。

9. |10.非线性光学晶体应具有基本特性:1) 晶体的有效非线性光学系数要大。

2) 透过波段宽,特别是在所需波段有很好的透过性。

3) 晶体双折射适当,能够实现相关匹配,最好能够实现非临界相位匹配。

抗光损伤阈值要高,晶体有良好的热性质,对于温度变化所造成的影响要小。

4) 晶体有良好的物理化学稳定性,不潮解,无明显完全解理面。

5) 晶体硬度适中,易于加工,包括切割不脆裂,易于研磨抛光等。

6) 可以选用适当的方法生长出满足相关应用要求尺寸和质量的晶体,可以生长大尺寸晶体则更为理想。

11.准位相匹配的优点:;( 1) 理论上能够利用晶体的整个透光范围; ( 2) 可避免空间走离效应; ( 3) 可以利用晶体大的非线性系数;( 4) 可以设计成非临界相位匹配; ( 5) 非线性转换效率高; ( 6) 调谐方式简单、多样。

12. 在平面波及小信号近似下,倍频过程中倍频光强度可表示成如下公式:2212102212252])2()2)[sin(0(512)(klklI cn n ld z I eff ∆∆λπ=1.若要获得大的倍频光强度,可以采取什么措施 2. 设计一个简单的实验计算某一选定倍频晶体的有效非线性系数eff d 。

1. (1))(2z I 与2eff d和)0(21I 成正比。

所以,大的有效非线性极化系数和高的基频的光强均可使倍频波光强增大。

)(2z I 与22)]2()2[sin(klkll ∆∆成正比。

(2)在l 从0增到)/(k ∆π过程中,)(2z I 随l 的增加而变大,这就是说基频波转换为了倍频波,但在l 从)/(k ∆π增到)/2(k ∆π过程中,)(2z I 随l 的增加而变小,这种情况下意味着倍频波又转换为基频波。

因此晶体的长度应选为)/(k l ∆π=.~2.设计实验 (自由发挥)13.以m 24族负单轴晶体I 型角相位匹配e oo -为例,计算有其效倍频极化系数effd . 已知对于m 24负单轴晶体倍频极化系数矩阵为:()⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=361414000000000000000d d d d i μ][112'e e d e i :μ•=eff d ,对于e oo -相位匹配来说分别有:因为oe 垂直光轴和波矢k 确定的平面,所以有:()⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=0cos sin φφo i e\对于平行于光轴和k 确定的平面的e e ,如果取近似0≅α,则有:()⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=θθφθφsin cos sin cos cos ei e令:()()ei i e e =2,()()()oi oi i e e e =='1,则有:()()θθφθφsin cos sin cos cos 2--=t i e对于m 24负单轴晶体,查表可知:()⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=361414000000000000000d d d d i μ 而计算()μF 可得:()⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=φφφμ2sin 000cos sin 22F而 ][112'e e d e i :μ•=eff d ,相关参数代入计算可得: φθ2sin sin 36d d eff -=。

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