非线性光学ppt课件
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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
研究范畴
非线性光学是研究强光与物质相互作
用过程中出现的各种新现象和新效应
光
物质
光
介质极化
Байду номын сангаас
E(t) 极化响应过程 P(t)
辐射
辐射过程
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
绪 论 非线性光的学的基本体系
➢ 极化 极化对电场的响应 ➢ 非线性响应 ➢ 极化的宏观描述
26
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：
扩展激光波长的范围和发展各波段连续可调谐技术; 发展非线性光学共轭技术及应用; 以光计算和光电子 技术为应用背景，出现了各种光学双稳的方案和装 置。
与材料研究紧密结合（非线性光学晶体BBO, LBO/半导体超晶格/量子阱/有机聚合物）
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
线性响应
11
非线性响应
12
非线性科学
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)
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
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
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
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
1
2
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
3
4
5
6
课程主要内容
15
光学非线性响应---极化
16
光学非线性响应---原子、分子的非线性响应
17
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
0
(3)
EEE
P(1) P(2) P(3) P(1) PNL
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
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、动量条件
25
发展历史（三阶段）
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）
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
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）
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
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）
21
非/线性描述的适用范围
由非线性光学理论可以证明
P(n1) P(n)
~
E 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
学科特点
线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线
复数，实部对应介质的折射率，虚部对应介质的吸收
介质对光场的响应呈线性关系：线性光学
E(t) ~ P(t)
介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学
18
绪 论 非线性光学的历史
诞生 适用范围 发展阶段 特点
19
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强，就会发生一系列 的非线性效应。
1984年，沈元壤出版《The Principles of Nonlinear Optics》一书
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
8
9
非线性的概念来源
线性相应和非线性响应
描述物理量之间的联系 变化关系
* 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
研究范畴
非线性光学是研究强光与物质相互作
用过程中出现的各种新现象和新效应
光
物质
光
介质极化
Байду номын сангаас
E(t) 极化响应过程 P(t)
辐射
辐射过程
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
绪 论 非线性光的学的基本体系
➢ 极化 极化对电场的响应 ➢ 非线性响应 ➢ 极化的宏观描述
26
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：
扩展激光波长的范围和发展各波段连续可调谐技术; 发展非线性光学共轭技术及应用; 以光计算和光电子 技术为应用背景，出现了各种光学双稳的方案和装 置。
与材料研究紧密结合（非线性光学晶体BBO, LBO/半导体超晶格/量子阱/有机聚合物）
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
线性响应
11
非线性响应
12
非线性科学
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)
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
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
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
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
1
2
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
3
4
5
6
课程主要内容
15
光学非线性响应---极化
16
光学非线性响应---原子、分子的非线性响应
17
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
0
(3)
EEE
P(1) P(2) P(3) P(1) PNL
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
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、动量条件
25
发展历史（三阶段）
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）
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
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）
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
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）
21
非/线性描述的适用范围
由非线性光学理论可以证明
P(n1) P(n)
~
E 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
学科特点
线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线
复数，实部对应介质的折射率，虚部对应介质的吸收
介质对光场的响应呈线性关系：线性光学
E(t) ~ P(t)
介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学
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绪 论 非线性光学的历史
诞生 适用范围 发展阶段 特点
19
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强，就会发生一系列 的非线性效应。
1984年，沈元壤出版《The Principles of Nonlinear Optics》一书
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
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9
非线性的概念来源
线性相应和非线性响应
描述物理量之间的联系 变化关系