非线性光学 1 ppt课件
合集下载
非线性光学PPT课件
生耦合作用，并在新频率处产生混频辐射，麦氏方程
E 组是非线性微分方程组，包含
的高次方项。
（3）光与物质相互作用的现象
二次、三次谐波；光参量放大与振荡。 自聚焦。 受激散射，饱和吸收。
第5页/共51页
3、非线性光学学科定义
在强光场与物质相互作用时，出现了非线性电 极化效应和它引起的一些新的光学现象和光学效 应。如，倍频、和频、差频、光放大，受激散射、 多光子吸收、自聚焦、光学双稳态等，这些统称 为非线性光学效应，研究这些效应的学科称为非 线性光学。
光波为单色平面波，稳态: 光波的振幅不随时间变化。
设：三束光波为：
E1z,t
1 2
E1zexpik1z 1t c.c .
E2 z,t
1 2
E2 zexpik2 z 2t c.c .
（2.2-16）
E3z,t
1 2
E3 zexpik3z 3t c.c .
P 电极化强度： (2) 0 (2)E2 (2) (E1 E2 E3)2
第16页/共51页
二次非线性效应
P E 由（2.1-2）式中第二项引起的：
(2)
(2) 2 0
1、一束单色光波入射到介质中时
设单色平面波： E E0 cos(t kz)
则
P
(2)
0
2
E0 cos(t kz)
2
1 2
0
2E02
1
cos
2(t
kz)
（2.1-3）
P 2 讨论：（1）从（2.1-3）式中可以看出，电极化强度
单一频率的光入射到非线性介质中 ，其 频率不发生任何变化 ， 不同频率的光同时入 射时，彼此不发生耦合作用，也不会产生任何 新的频率，麦氏方程组是线性微分方程组，只
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
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
非线性光学晶体材料优秀课件.pptx
红外非线性光学晶体 分类：
➢ 由四面体基团构成的二元或三元化 合物
➢ 由MX3三角锥形基团构成的化合物 ➢ 单质
深紫外非线性光学晶体
➢ KBBF晶体 ➢ SBBO族晶体
非线性光学晶体材料优秀课件
非线性光学晶体的应用
扩展激光的波长覆盖范围 为了提高谐波转换效率经常采用的三种方法：
➢ 外共振腔技术 ➢ 内共振腔技术 ➢ 准相位匹配技术
非线性光学 晶体材料分 子设计方法
非线性光学晶体材料优秀课件
几种重要的非线性光学晶体
LBO族晶体
➢ LBO晶体 ➢ CBO晶体 ➢ CLBO晶体
KTP晶体 BBO晶体 KDP族晶体
➢ KDP晶体 ➢ DKDP晶体
铌酸盐晶体
➢ KNbO3晶体 ➢ LiNbO3晶体 ➢ MgO：LiNbO3晶体
频系数的几何叠加。对于每种化学键，他们共引入两个微观倍 频系数参量，即β //和β ⊥，分别代表平行于每个键的微观倍频系 数参量和垂直于每个键的微观倍频系数参量。 键电荷模型
晶体的线性和非线性极化率主要是由于A-B两个原子中键 电荷g在外光频电场作用下，作非中心对称运动的结果。 分子轨道法
非线性光学晶体材料优秀课件
引言
晶体非线性光学技术是一项很广泛的应用技术。它包 括激光的变频技术 、调制技术、记忆、存储技术、光 折变技术 等
非线性光学晶体材料优秀课件
非线性光学谐波器件的设计原理
晶体的倍频效应
按相位匹配模式可分为： ➢ 共线相位匹配
① 倍频转换 ② 和频转换
➢ 非共线相位匹配
有效倍频系数: 只能进行数值计算 通光方向的长度 其他特征量：相位匹配参量Δk，允许角宽度ΔθPM
准相位匹配谐波器件
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》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
非线性光学课件第一章
极化率表示：
电极化强度：
P 1 j 0 1 j E j Nex 1 j .
可以得到：
1
j
N e / m
2
0 D j
.
极化率表示：
三阶非线性极化率为：
3 ijkl q , m , n , p
ijk 2 , 2 , 1 E j 2 Ek 1
2
2 0 ijk 2 , 1 , 2 E j 1 Ek 2 .
2
jk
二次谐波产生：
P i 3 0 ijk 2 , 1 , 1 E j 1 Ek 1 .
n
电极化和电场关系表达式：
Pi m n 0 ijk m n , n , m E j n Ek m .
2 jk
nm
2 ijk m n , n , m
表示二阶非线性极化率张量的分量。
和频产生：
2 Pi 3 0 ijk 2 , 1 , 2 E j 1 Ek 2 jk
2 jk
nm
我们需要确定六个张量
2 2 2 ijk 1 , 3 , 2 , ijk 1 , 2 , 3 , ijk 2 , 3 , 1 , 2 2 2 ijk , , , , , , 2 1 3 ijk 3 1 2 ijk 3 , 2 , 1
对于非共振激发的极化率的数量级为：
1 2 3
1,
1 2
/ Eat 1.94 10
12
m /V,
/ Eat 3.78 1024 m2 / V 2 .
非线性光学材料.pptx
①气体材料。 ②液体材料 。 ③玻璃材料。 ④半导体材料。 ⑤有机聚合物材料。
第11页/共18页
有机和聚合物非线性光学材料
有机和聚合物作为非线性光学材料具有许多无机材料无法比拟的优点： ①有机和聚合物非线性光学系数要比已经得到使
用的无机晶体高一至两个量级。 ②响应时间短。 ③有机化合物的光学损伤阀值较高。 ④可根据非线性效应的要求来进行分子设计。 ⑤具有优异的可加工型，易于成材，而且可以晶
第14页/共18页
三阶非线性材料前景
三阶非线性光学材料是处于开发研究中的材料，分子工程和分子设计为人们提 供了优化有机和生物分子材料性能良好手段，探索高非线性极化率，超快响应、低 损耗的三阶非线性光学材料的工作正在展开，有机聚合物和半导体材料已能做到灵 敏和快速响应，是较有使用前景的三阶非线性光学材料。
第3页/共18页
第4页/共18页
非线性光学光波导材料
第5页/共18页
非线性晶体光通行材料
第6页/共18页
选材依据
①有较大的非线性极化率。 ②有合适的透明程度及足够的光学均匀性。 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。
第7页/共18页
分类
二阶非线性光学材料 ：大多数是不具有中心对
称性的晶体。常用于光学倍频、混频和光学参量 振荡等效应的晶体材料有两大类。
三阶非线性光学材料：指那些在强激光作用下
产生三阶非线性极化响应，具有强的光波间非线 性耦合的材料。范围很广，由于不受是否具有中 心对称这一条件的限制，这些材料可以是气体、 原 子 蒸 气 、 液 体 、第液8页晶/共1、8页等 离 子 体 以 及 各 类 晶 体 、
第11页/共18页
有机和聚合物非线性光学材料
有机和聚合物作为非线性光学材料具有许多无机材料无法比拟的优点： ①有机和聚合物非线性光学系数要比已经得到使
用的无机晶体高一至两个量级。 ②响应时间短。 ③有机化合物的光学损伤阀值较高。 ④可根据非线性效应的要求来进行分子设计。 ⑤具有优异的可加工型，易于成材，而且可以晶
第14页/共18页
三阶非线性材料前景
三阶非线性光学材料是处于开发研究中的材料，分子工程和分子设计为人们提 供了优化有机和生物分子材料性能良好手段，探索高非线性极化率，超快响应、低 损耗的三阶非线性光学材料的工作正在展开，有机聚合物和半导体材料已能做到灵 敏和快速响应，是较有使用前景的三阶非线性光学材料。
第3页/共18页
第4页/共18页
非线性光学光波导材料
第5页/共18页
非线性晶体光通行材料
第6页/共18页
选材依据
①有较大的非线性极化率。 ②有合适的透明程度及足够的光学均匀性。 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。
第7页/共18页
分类
二阶非线性光学材料 ：大多数是不具有中心对
称性的晶体。常用于光学倍频、混频和光学参量 振荡等效应的晶体材料有两大类。
三阶非线性光学材料：指那些在强激光作用下
产生三阶非线性极化响应，具有强的光波间非线 性耦合的材料。范围很广，由于不受是否具有中 心对称这一条件的限制，这些材料可以是气体、 原 子 蒸 气 、 液 体 、第液8页晶/共1、8页等 离 子 体 以 及 各 类 晶 体 、
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
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
非线性光学课件
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。
其他说法：
介质在强激光场作用下产生的极化强度与入射辐射场强之间
不再是线性关系，而是与场强的二次、三次以至于更高次项 有关，这种关系称为非线性。凡是与非线性有关的光学现象 称为非线性光学现象，属于非线性光学的研究内容。
产生
改变原来 的光场
物质对光的反作用
使物质产生 电磁场辐射
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
线性光学 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 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 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 光束通过光学系统，入射光强与透射光 强之间一般成线性关系 非线性光学 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) 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 （三波与四波混频） 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)
(n+1)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ppt课件
1）非线性光学的早期10年 （1961-1970）
1961，红宝石激光倍频(SHG)
（标志非线性光学真正诞生）
随后发现了几种非线性光学的基本现象和各种瞬 态光学效应：
和频、差频、参量振荡； 受激拉曼散射、受激布里渊散 射、相干（反）斯托克斯；光子回波、光学章动、光学 自感生透明；自聚焦、自相位调制、光学相位共轭
目前发展起来的非线性物理学科包括：
* 非线性光学（Nonlinear Optics） * 非线性声学 （Nonlinear Acoustics） * 非线性动力学 （Nonlinear Dynamics）
* 量子混沌 (Quantum Chaos) ……
13
非线性光学 绪 论 ppt课件
研究范畴
非线性光学是研究强光与物质相互作
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
26
ppt课件
2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990）
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。
23
线性光学
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 （光限幅、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 相位信息彼此不能相互传递
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）
24
非线性光学过程的能量、ppt动课件 量条件
25
发展历史（三阶段）
极化 极化对电场的响应 非线性响应 极化的宏观描述
15
ppt课件
光学非线性响应---极化
16
ppt课件
光学非线性响应---原子、分子的非线性响应
17
ppt课件
光与物质相互作用的线性描述已不能满足需求
极化强度的非线性表达
P
0
(1)
E
0
(2)
:
EE
p非pt课件线性光学
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
3
ppt课件 4
ppt课件 5
ppt课件 6
ppt课件
课程主要内容
绪论 非线性电极化过程和耦合波的基础知识 光学倍频效应/ 和频、差频效应（三波混
频）/光学参量振荡和放大效应 四波混频/ 光学相位共轭 第五章 光学克尔效应/ 光束自聚焦/ 自相位调制/
光学双稳态效应 第六章 受激拉曼散射/ 受激布里渊散射
7
源
线性相应和非线性响应
描述物理量之间的联系 变化关系
认知逻辑的“惰性” 对变换关系的简单 理解 总希望找
到 线性关系
在进一步深化认识的过程中， 又意识到非线性的存在
10
ppt课件
线性响应
11
非线性响应
ppt课件
12
ppt课件
非线性科学
E(t) ~ P(t)
介质对光场的响应呈线性关系：线性光学
介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学
18
ppt课件
绪 论 非线性光学的历史
诞生 适用范围 发展阶段 特点
19
ppt课件
非线性光学的诞生
最早的光学二次谐波产生 1961年Franken
20
在非线性晶体中，如果注入的泵浦光足够p强pt课，件 就会发生一系列 的非线性效应。
ppt课件 1
ppt课件 2
ppt课件
教材：《非线性光学物理》 叶佩弦 著
参考书目：
1、《强光光学及其应用》 刘颂豪 赫光生 著 2、《非线性光学原理》 沈元壤 著 顾世杰 译 3、《非线性光学》
石顺祥 陈国夫 赵卫 刘继芳 编著 4、《非线性光学》 李淳飞 著 5、《高等光学教程》 季家镕 冯莹 编著
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（三波和四波混频）
光与介质相互作用，介质的物理参量 只是光频的函数，与光场强度变化无 关
光与介质相互作用，介质的物理参数如 极化率、吸收系数、折射率等是光强的 函数（非线性吸收和色散、光克尔效应 和自聚焦）
光束通过光学系统，入射光强与透射 光强之间一般成线性关系
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)
用过程中出现的各种新现象和新效应
光
物质
光
介质 极化
E(t) 极化响应过程 P(t)
辐射过程
辐 射 E(t)
E(t) ~ P(t)
P介(质)对光场的响应呈线耦性合关波系方：程线性光学
介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学
各种非线性光学现象 各光波间能量的转换
14
ppt课件
绪 论 非线性光的学的基本体系
21
ppt课件
非/线性描述的适用范围
由非线性光学理论可以证明
P(n1) ~ E
P(n)
Eat
原子内的平均电场强度 的大小（～1011 V/m）
弱光下，E Eat ，二阶以上非线性极化强度可
忽略
强光下， E ~ Eat ，二阶以上非线性极化强度不可
忽略
22
ppt课件
学科特点
0
(3)
EEE
P(1) P(2) P(3) P(1) P NL
其中， (1)为线性极化率， (2) 和 (3)是二阶，三阶非线性极化 率。对于各向异性介质 ， (n)为（n+1）阶张量，张量元一般为
复数，实部对应介质的折射率，虚部对应介质的吸收