非线性光学

其在科学研究和工程技术中的应用。
历史回顾

非线性光学的早期工作
①1906年泡克耳斯效应 ②1929年克尔效应

激光问世——首次发现光学二次谐波
①第一个时期是1961～1965年
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 以及受激光散射等等
②第二个时期是1965～1969年
3.3.非线性散射 基于非线性散射的光限幅器的工作原理如下图所示。

3.4.非线性反射 非线性界面反射光限幅效应是通过介质的非线性折射率 的改变，导致在界面上发生非线性反射来实现的。最初把 线性材料和非线性材料的界面称为非线形界面。这种防护 器的工作原理如图：


3.5光学双稳态 由非线性光学材料构成的双稳态，在弱辐射下，透射光 呈低透射态，反射光呈高反射态，将反射光引入光电传感 器，保证光电传感器对信号的接收。当入射光达到光学双 稳态临界值时，透射光呈高透射态，进入到光电传感器的 反射光被衰减，达到保护光电传感器的目的。 3.6 结论 上面的每一种非线性光学效应都可以用来制作光限幅器， 另外，这些效应还可以合并使用，用以制作复合型光限幅 器。已经实现的有：激发态吸收/ 热自散焦复合型、热散 焦/ 散射复合型、双光子吸收/ 自散焦复合型、激发态吸收 / 无规界面非线性散射复合型等。


2.2.TEM观测 利用TEM明场像分析注入粒子尺寸大小分布和形状。

2.3.Z-scan测量样品在特定波长下的非线性折射率和吸收 率
1997年诺贝尔物理奖得主
Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips
Stanford University Stanford, CA, USA
实验部分：




1.样品制备 样品基底（Al2O3、SiO2、LiNbO3…..）一般通过 化学方法制备或直接购买，基底制备好后，采用金 属蒸汽真空弧离子源离子注入机（MEVVA）在室温 下将金属粒子（Ni，Cu，Fe…）注入基底中，得到 所需的实验样品。 2.实验分析 2.1.光学吸收谱 在室温下利用紫外可见双光束分光计记录样品的 光学吸收谱。
（1- 1） 式中，N0 为单位体积中参与吸收的分子的总数；N2 为单位 体积内的激发态分子总数。设单位体积内的基态的分子总数为N1，则 有：
所以由式（1- 1）、（1- 2） 可以得到：

假设反饱和介质的厚度为L，入射光强为Lin，对式（13)积分后就可得到透过吸收体后的光强Lout：
在低光强下，材料的光学特性主要受σ1 支配，介 质的吸收近似为线性的； 而在高光强下，σ2 开始起作用，介质的吸收系数 随入射光强的增加而增大。


3.1.2 双光子吸收（TPA） 双光子吸收是指介质在较高的光强下，同时吸收两个光 子后，粒子由基态跃迁到激发的高能态。双光子吸收与光 强的平方项有关，光强越大吸收越强，此时光强I 变化满 足：
这里，α为线性吸收系数，β为双光子吸收系数，z 为光束在样品 中的传播深度。一般条件下，α比较小，在低光强下吸收很弱，介 质高度透明Байду номын сангаас但在高光强下是增强吸收，从而实现限幅特性。双 光子吸收光限幅研究多采用半导体材料。早在1969 年就有人开始 研究半导体中双光子吸收型光限幅器。这种限幅器结构简单，对 应红外探测器的“窗口”，对于红外探测器的防护具有特别重要 的意义，因而半导体的双光子吸收光限幅研究也比较活跃。
Collège de France; École Normale Supérieure Paris, France
National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA
"for development of methods to cool and trap atoms with laser light"
P= （ 0 1E+ 2 EE+3 EEE+ ）



式中χ1 ,χ2 ,χ3 分别称为介质的一阶(线性) 、二阶、三阶(非 线性) 极化率。 1. 2 .光与介质非线性作用的波动方程 对于非磁性绝缘透明光学介质而言, 麦克斯韦方程组为
D H= t H E=- 0 t B=0 D=0
美国科学家约翰-霍尔
德国科学家汉什
美国科学家葛劳柏
"for their contributions to the development "for his contribution to the quantum theory of of laser-based precision spectroscopy, optical coherence" including the optical frequency comb technique"

3.1非线性吸收光限幅机理 3.1.1反饱和吸收（RSA） 反饱和吸收（Reverse Saturable Absorption） 的特点是 吸收系数随入射光强增大而增大，可以用如图1- 1 所示的简 化三能级模型描述。

它发生的条件是介质的激发态吸收截面大于基态的吸收 截面。在反饱和吸收介质中光强随传播距离的变化关系为：
非线性光学中光限幅机理的研究

非线性光限幅器的原理是非线性光限幅效应。当激光激发 介质时，在低光强下，输出光强随着入射光强的增加而线性 增加。而当入射光强达到一定的阀值后，由于介质的非线性 光学效应，输出光强增加缓慢或不在增加的一种非线性光学 现象，这种光学现象就是所谓的非线性光限幅效应。
3.光限幅机理：
杨振宁说：”虽然朱等3人没有做这种奇特的BEC现象，但却为BEC的工作铺了路。“激光 冷却技术的发明直接导致了玻色-爱因斯坦凝聚这一著名理论论断的实验验证, 这成为20世纪 末物理学的重大突破之一。
2005年诺贝尔物理奖得主
霍尔 (J.L. Hall)、汉什 (T.W. Hänsch)和葛劳柏（Roy J. Glauber）
3.2 非线性折射 非线性折射光限幅基于材料的自聚焦和自散焦光学效应。 这是由于激光引起介质折射率变化而产生的一种光束自作用 效应。介质的非线性折射越大，光限幅效果越好。这种机制 多发生在半导体、过渡金属团簇化合物和纳米粒子材料中。 非线性折射光限幅器具体工作原理如下图所示，这种结构抗 损伤能力强，适合作传感器防护用。相比较而言,自散焦光限 幅器更优越,可以避免自聚焦时可能引起的的激光对限幅材料 的损伤。
电光效应
——材料在电场作用下产生双折射效应
一．Pockels效应（一级电光效应） 1893年由德国物理学家F.C.A.泡克耳斯发现。一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播 方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应。例如把磷酸二氢钾晶 体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构成能产生电场的电容器，晶体的光轴与 电容器极板的法线一致，入射光沿晶体光轴入射。与观察克尔效应一样，用正交偏振片系 统观察。不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过P2。加电场后，晶体感 生双折射，就有光通过P2。泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。大多数压电晶 体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用于光闸、激光器的Q开关和 光波调制等。 二．Keer效应（二级电光效应） 1875年英国物理学家J.克尔发现，玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，称克尔效应 (Kerr effect)。后来发现多种液体和气体都能产生克尔效应。观察克尔效应的实验装置。内 盛某种液体（如硝基苯）的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容器，加电压后产生 横向电场。克尔盒放置在两正交偏振片之间。无电场时液体为各向同性，光不能通过P2。 存在电场时液体具有了单轴晶体的性质，光轴沿电场方向，此时有光通过P2（见偏振光的 干涉）。实验表明 ，在电场作用下，主折射率之差与电场强度的平方成正比。电场改变时， 通过P2的光强跟着变化，故克尔效应可用来对光波进行调制。液体在电场作用下产生极化， 这是产生双折射性的原因。电场的极化作用非常迅速，在加电场后不到10-9秒内就可完成 极化过程，撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效应的这种迅速动作的 性质可用来制造几乎无惯性的光的开关——光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获 得了重要应用。
非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等等
③第三个时期是70年代至今
由以固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至 液晶的非线性效应的研究；由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至 更高阶效应的研究；由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究；就时间范 畴而言，则由纳秒进入皮秒领域 。
（2） （ 3 ） （4） （ 5）

根据电位移矢量D
=ε0 E + P，最终可以导出
上式表明: 当介质的电极化强度P 随时间变化且 时, 介质就 像一个辐射源, 向外辐射新的光波,新光波的光矢量E 由上述方程 决定。
1.3.非线性光学量子理论解释

将作用光场与组成介质的粒子(原子、分子) 看成一个统一的量子力学 体系而加以量子化描述,认为粒子体系在其不同本征能级间跃变的同时,必 然伴随着作用光场光子在不同量子状态分布的变化(如光子的吸收、发射 或散射等) ,此时对整个物理过程的描述必须引入所谓中间状态的概念. 在 这种中间状态内,光场的光子数目发生了变化,粒子离开原来所处的本征能 级而进入激发状态;但粒子并不是确定地处于某一个本征能级上,而是以一 定的几率分别处于它所可能的其他能级之上(初始能级除外) . 为了直观地 表示这一状态,人们又引入了虚能级的图解表示方法. 在用虚能级表示的 这种中间状态中, 由于介质粒子的能级去向完全不确定,则按照不确定关 系原理,粒子在中间状态(虚能级) 上停留的时间将趋于无穷短.
非线性光学效应
余翔翔 201207703017 2012年4月6日
1.前言：

非线性光学研究相干光与物质相互作用时出现的各种新现象 的产生机制、过程规律及应用途径,是在激光出现后迅速发展起 来的光学的一个新分支. 非线性光学的研究在激光技术、光通 信、信息和图像的处理与存储、光计算等方面有着重要的应用, 具有重大的应用价值和深远的科学意义. 本文在介绍非线性光 学效应基本理论的基础上,着重讨论几种典型非线性光学效应及
2001年诺贝尔物理奖得主
Eric A. Cornell (USA)
Wolfgang Ketterle (Germany)
Carl E. Wieman (USA)
"for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates"
2.非线性光学效应原理

1.光场与介质相互作用的基本理论 在入射光场作用下,组成介质的原子、分子或离子的运 动状态和电荷分布都要发生一定形式的变化,形成电偶极 子,产生电偶极矩并进而辐射出新的光波. 在此过程中,介 质的电极化强度矢量P是一个重要的物理量. P 与入射光 矢量E 成非线性关系,即