非线性光学简介
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。
非线性光学的基础理论与前沿应用
非线性光学的基础理论与前沿应用随着物理学的发展，研究光学现象成为一个重要的研究方向。
光学已经不再仅仅被视作经典物理学的一部分，而是成为了自然界极为重要的现象之一。
近年来，非线性光学发展迅速，成为了当前前沿的研究领域之一。
本文将对非线性光学的基础理论和前沿应用做一篇介绍。
一、非线性光学的基础理论从基础理论的角度，非线性光学是在介质中具有非线性光学响应的一种现象。
即在光线作用于介质时，介质将会响应，且辐射出比光束原有强度更大的辐射。
这种现象的发生源于介质中的电子、原子、分子等电荷在光场的相互作用中，发生能量交换与相互作用，产生对光的影响。
当外界光场强度较小时，物质对光的响应呈线性关系。
但是当光场强度达到极高时，物质会表现出非线性响应。
其中最常见的非线性现象是二次谐波发生（Second Harmonic Generation，简称SHG）和三次谐波发生（Third Harmonic Generation，简称THG）。
由于非线性效应的发生，在现代光学中，光的作用不再停留于传递、衍射等基本的物理效应，而包含了丰富多样的现象。
其中，非线性光学在通讯、光电领域，甚至生物医学领域中都发挥着重要的作用。
二、非线性光学的前沿应用1、光通信器件在现代通讯领域中，光器件是基础设施之一。
通过提高传输速率、信号质量，降低干扰等手段，光器件逐渐替代了传统电器件。
其中，非线性光学在光器件的研究与开发中起到了重要的作用。
比如光纤放大器中，非线性效应能够扩宽波长放大光带，同时提高系统的传输距离和可靠性。
2、激光技术在激光技术中，利用非线性光学原理，可以实现激光器的频率转换。
对于化学、生物、环境、安全、国防等领域，激光技术的应用都具有非常重要的意义。
有些基于激光的扫描显微镜等技术甚至已经被成功应用于医学领域。
3、光学计算非线性光学在计算领域的应用，最重要的手段是光学迭代计算。
它比传统计算方法更快、更节约成本、更加精确，其效果可以在单位时间内完成的数据计算不断增长。
非线性光学性质、原理及应用
实例：
在金属氧化物氧化锆表 面水和甲醇的竞争吸附， 溶液和固体都是各向同 性材料，将水与甲醇配 成一定比例，二者吸附 在氧化锆表面，用红外 可见激光照射。光谱图 上的峰值与甲醇的的表 面浓度有关，含量不同， SFG响应值也不同。 峰值振幅的平方与表面 浓度成正比，因此可以 反应甲醇界面浓度与总 体浓度的关系。
光与介质相互作用，介质的物理量如：极化 率、吸收系数、折射率与光场强度有关，成 一定的函数关系
三：非线性光学材料需具备哪些条件呢？
1：较大的非线性极化率 2：较大的激光损伤阈值（LDT-laser damage threshold），能承受较大的激光功率和能量 3：有位相匹配能力 4：优良的机械化学稳定性 5：宽能带间隙（large energy bandgap）
光学二次谐波的产生
ω1
非线性光学晶体
ω 2= 2ω 1
线性光学与非线性光学的主要区别
线性光学 入射光强与透射光强之间一般成线性关系 非线性光学 入射光强与透射光强之间成非线性关系
多束光在介质中交叉传播，不发生能量交换，多束光在介质中交叉传播，可能发生能量交 也不改变各自的频率 换 光在介质中传播，通过干涉、衍射、折射改 变光能量的空间分布和传播方向，不改变光 的频率 光作用于介质，不改变介质的物理量，介质 的物理量与光场强度无关 一定频率的光入射介质，可以通过与介质相 互作用各自的频率或产生新频率，
Hale Waihona Puke 分子吸附在介质表面时，产生SFG（和频） 信号，当非线性分子离开界面时，SFG信 号会消失。
Ai和Mi分别指红外和拉曼的转移矩阵（在频率 ω i和谱线宽Γ i时特定的振动模式） N-吸附物质在界面的吸附密度 二阶非线性响应值与界面覆盖程度成正比。 SFG信号强度与非线性极化率的平方成正比。 红外和拉曼技术不能区分溶液内部和界面 上的分子，难以分析物质的表面性质，而和频 可以做到。
非线性光学-绪论-第一章
7.2
激光倍频技术
7.2.1 倍频的波耦合方程及其解
基频光波电场Ew和倍频光波电场E2w的波耦合方程为
dEw iw ikz * deff Ew E 2 w e dz nwc dE iw d E Ee dz n c
2w eff * w ikz w 2w
1.非耗尽近似
当倍频光为小信号近似，则倍频光强为
1 n
K是由内禀变换对称性所决定的数值因子
表示n个频率中有 个相同，Wm表示为n个频率 的代数和，频率若为负值，则其对应电场取共轭形式
1 n! k n1 2 !
对于二阶非线性光学效应，有三个波相互作用，取
p P
(2)
NL
设频率关系为
(2)
PNL1( z , w1) 0 ( w1; w2, w3) : E ( w2) e E ( w3) e (2) ik z ik z * * PNL 2( z, w2) 0 ( w2; w1, w3) : E 1 ( w1) e E 3 ( w3) e
e r 1(t ) E1 L(w1) e iw1t E 2 L( w1) e iw2t c.c. 2m
L(w1) E1 L(w2) E 2
2 2 2
*
2
L( w1 w2) L( w1) L( w2) E 1 E 2 e
L( w1 w2) L( w1) L ( w2) E 1 E 2 e
n0 w ne k w 3 c (n 0 )
2w
2
2w
sin 2
2 m
* 2 ik 2 z * 3
1 3
w3 w1 w2极化分量为
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
什么是非线性光学
什么是非线性光学分类:教育/科学 >> 科学技术解析:非线性光学nonlinear optics现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。
激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理（见光的独立传播原理）。
在上述条件下研究光学问题称为线性光学。
对很强的激光，例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象。
介质极化率P与场强的关系可写成P＝α1E＋α2E2＋α3E3＋…非线性效应是E项及更高幂次项起作用的结果。
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。
弱光进入介质后频率保持不变。
强光进入介质后，由于介质的非线性效应，除原来的频率ω外，还将出现2ω、3ω、……等的高次谐波。
1961年美国的P.A.弗兰肯和他的同事们首次在实验上观察到二次谐波。
他们把红宝石激光器发出的3千瓦红色（6943埃）激光脉冲聚焦到石英晶片上，观察到了波长为3471.5埃的紫外二次谐波。
若把一块铌酸钡钠晶体放在1瓦、1.06微米波长的激光器腔内，可得到连续的1瓦二次谐波激光，波长为5323埃。
非线性介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用。
③光学混频。
当两束频率为ω1和ω2（ω1＞ω2）的激光同时射入介质时，如果只考虑极化强度P的二次项，将产生频率为ω1＋ω2的和频项和频率为ω1－ω2的差频项。
利用光学混频效应可 ... 光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可发射从红外到紫外的相干辐射。
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。
非线性光学的理论基础
非线性光学的理论基础非线性光学（Nonlinear Optics）是研究光在非线性介质中的传播和相互作用的科学。
相对于线性光学而言，非线性光学永远都是需要考虑的，因为非线性光学效应中产生的二次谐波、三次谐波等高次谐波能够被广泛应用于各种实际的光学系统中。
非线性光学是由电场强度引起的，因此电场强度与电子、离子密度和极化程度有关。
传统的线性光学理论是建立在电场强度小的假定之上，因此可以忽略介质的非线性性质。
而非线性光学理论需要考虑电场强度大的情况，其是建立在相对论物理和量子力学理论基础之上的，并且有时需要数值模拟得到更精确的结果。
非线性光学中最重要的一个概念是极化率，它是介质的响应函数，表示单位电场强度下单位体积（或长度）内极化密度的增量。
在线性光学中，介质的极化率是常数，而在非线性光学中，极化率则会随着电场强度的变化而变化。
如果考虑二次非线性光学效应，则极化率是二阶张量，反映了各种各样的对称性和不对称性。
非线性光学过程的强度非常大，往往需要考虑空间分散和时间反应的影响。
这些效应都归结为Maxwell方程的非线性形式，通常称为非线性Maxwell方程。
非线性Maxwell方程是非线性光学的核心方程，其解是非线性光学效应的理论预测。
非线性光学效应具有丰富的物理现象，它们可以分为光学非线性效应和击穿效应两类。
在光学非线性效应中，最常见的是二次和三次非线性效应。
二次非线性效应包括二次谐波产生、光学混频、光学克尔效应等；而三次非线性效应则包括自聚焦、自相位调节、自作用、散射等。
击穿效应则是指能级结构发生改变而引起强电场的效应，产生的现象有光致击穿、电致击穿、阈值击穿等。
非线性光学的理论基础不仅仅依赖于Maxwell方程和极化率的性质，还与量子力学的一些基本原则有关。
对于非线性光学效应的研究，量子力学的一个最重要的概念是相干态（Coherent states）。
相干态是量子态的一种，它是由一个连续的波函数表示的，可以看成是经典光学中平面波的量子版本。
非线性光学的应用前景
非线性光学的应用前景非线性光学是物理学中一个重要且充满应用前景的领域。
本文将从理论定律、实验准备、实验过程及应用前景等方面对非线性光学进行详细的解读。
首先，我们需要了解非线性光学的基本定律。
非线性光学研究的对象是介质中的光波与介质相互作用的过程。
在非线性光学中，光场与介质的相互作用引起了介质的极化现象，即光场作用下介质内的电场矢量产生非线性变化。
根据介质的非线性响应类型和强度，我们可以导出一系列与光-物质相互作用相关的定律，如光强相乘定律、非线性折射定律、非线性吸收定律和非线性产生定律等。
这些定律为我们理解和研究非线性光学现象提供了重要的理论基础。
为了验证这些理论定律，我们需要进行一系列实验。
首先，我们需要准备实验所需的实验装置。
在非线性光学实验中，常用的实验装置包括光束扩展系统、光源和检测系统等。
光束扩展系统用于控制光的传输和聚焦，光源可以是激光器或者其他可调控光强和频率的光源，检测系统一般采用光电二极管、光电倍增管等器件用于测量实验结果。
此外，为了对非线性光学现象进行研究，我们还需要选取合适的介质样品。
一般来说，常用的介质样品包括液体、固体和气体等，不同的样品将展现不同的非线性效应。
接下来，我们将详细介绍一个典型的非线性光学实验——光学限幅器实验。
光学限幅器是一种能够控制光强的装置，可以将高强度光波转化为低强度的光波输出。
该实验主要通过非线性光学效应实现。
在实验过程中，我们首先需要搭建一个适当的实验装置。
该装置主要由一个光束扩展系统、一个样品室和一个检测系统组成。
光束扩展系统用于聚焦入射光束，样品室用于放置样品，检测系统用于测量输出光信号。
在实验开始前，我们需要选择合适的样品。
由于光学限幅器需要在高强度光波下工作，因此我们可以选择具有较高非线性光学效应的介质样品，如光纤和半导体材料等。
在实验过程中，我们首先将光源产生的光束通过光束扩展系统进行调整和聚焦，然后将聚焦后的光束照射到样品上。
样品在高强度光束的作用下，会发生非线性光学效应，把高强度光波转化为低强度的光波输出。
非线性光学
非线性光学论文非线性光学综述：现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。
激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度正比于光波的电场强度E，光波叠加时遵守线性叠加原理（见光的独立传播原理）。
在上述条件下研究光学问题称为线性光学。
对很强的激光，例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象。
发展过程历史：非线性光学的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效应的发现和1929年克尔效应的现像。
但是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。
激光的出现为人们提供了强度高和相干性好的光束。
而这样的光束正是发现各种非线性光学效应所必需的(一般来说，功率密度要大于1010W/cm2（但对不同介质和不同效应有着巨大差异）。
1958年，Schawlow和Townes指出激光可以在红外和可见光频段实现在这篇文章发表之后，很多实验室立即开始竞争，去实现这一理想．1960年5月，Maiman首先发现了红宝石激光器激光的发明，引导出很多新的学科，对我们今天的科学技术以及日常生活都产生了重大影响．其中最重要的学科之一就是非线性光学，它对半个世纪以来科技的发展起了十分重要的作用．激光的光场或电场可以很强．早年，微波和射频方面的研究已经证明，当电场很大的时候，会产生非线性现象．这是因为电场与物质相互作用时，如果电场很小，表达式中的非线性项可以忽略，产生的偶极子实际上与电场成正比（即线性效应），而当电场很大时，非线性项不能再被忽略，因而可以产生二次倍频、混频等现象，这在微波和射频的实验中得到证实．我们可以预测，当光电场达到近１ｋＶ／ｃｍ时，在光波波段也会产生类似的非线性现象。
物理学中的非线性光学研究
物理学中的非线性光学研究在物理学的研究中，非线性光学一直是一个重要的领域。
它探讨了光的非线性行为，例如在强光下光的传输和调制能力。
非线性光学是光学工程、材料科学以及通信技术等领域的重要基础。
本文主要介绍非线性光学研究的历史、基本概念、应用和最新进展。
一、非线性光学研究的历史非线性光学的研究可以追溯到19世纪初。
当时，物理学家之间正在开展关于电磁学的研究。
然而，他们发现光的传输和电磁学中的频率域有区别。
这种发现引起了人们的关注。
随着研究的深入，19世纪末期，人们开始了解到光有非线性的特性。
20世纪50年代，随着激光技术的出现，非线性光学研究得到了进一步发展和推广。
二、非线性光学基本概念非线性光学研究主要探讨了光的非线性行为，例如当光束传播到介质中时，会发生以下三种基本现象：1. 折射率随电场的变化：这是最常见的非线性光学现象之一。
当光束在介质中传播时，介质的折射率会随着光的电场的变化而改变。
如果介质吸收光的话，那么光强的增加会导致介质的折射率下降。
2. 非线性吸收：随着光的电场的变化，介质可能会发生非线性吸收。
当光强增加时，介质的吸收率也会随之增加。
3. 第三阶非线性：第三阶非线性是最强的非线性现象之一。
随着光的电场的增加，介质的非线性极化将变得越来越强，最终会导致光的改变。
可以利用这种非线性行为进行信号调制或其他应用。
三、非线性光学的应用非线性光学的研究在许多领域都有广泛应用。
以下是几个常见的应用：1. 光通信：光通信利用了非线性光学研究中的发现。
光纤通信的稳定性就是基于非线性光学的特性。
2. 激光：激光是非线性光学研究的重要应用之一。
激光的产生和调制都利用了非线性光学现象。
激光应用于医疗、军事、工业和科学研究等领域。
3. 脉冲众包：非线性光学技术可用于生成极短、高能量的脉冲。
这种脉冲通常用于时间分辨光谱学、激光再生等应用。
四、非线性光学研究的最新进展非线性光学的研究一直在不断发展。
最新的研究成果包括：1. 环境有机物的探测：研究者利用非线性光学技术，发现环境有机物会影响海水中的自然光谱。
光学中的非线性光学
光学中的非线性光学在镜头中，我们常常听到非线性光学这个术语。
它是光学领域中的一个重要分支，涉及到光与物质相互作用时产生的非线性效应。
本文将详细介绍光学中的非线性光学，并讨论其在科学研究和技术应用中的重要性。
一、非线性光学的基本概念非线性光学是指在光与物质相互作用时，光的电磁特性不在遵循线性超定理的现象。
通常情况下，光学中的光与介质的相互作用是线性的，即光的传播方式符合麦克斯韦方程组所描述的线性传播规律。
然而，当光的强度足够强时，光与介质的相互作用就会变得非线性，这时光的传播不再符合线性传播关系。
二、非线性光学效应非线性光学效应主要包括自聚焦效应、自相位调制效应、和非线性吸收效应三个方面。
自聚焦效应是指在介质中，光强足够高时将会自聚焦且形成孤子束，这一现象在激光技术和光通信系统中极为重要。
自相位调制效应是指光束在传播过程中，其相位会随着强度的变化而发生改变，造成光脉冲的相位调制，这个效应在光学通信中有重要的应用价值。
非线性吸收效应是指介质与光的相互作用会导致光的吸收增加，这一效应在传感器和激光材料的应用中有重要的作用。
三、非线性光学的应用非线性光学在科学研究和技术应用中有着广泛的应用。
首先，在光学通信领域，非线性光学效应使得光纤通信能够实现高速、大容量的数据传输，提高了现代通信的速度和质量。
其次，在激光技术方面，非线性光学可以用来实现超快激光脉冲产生，提高激光器的输出效率和功率。
此外，在光传感器的设计中，非线性光学效应也可以用来提高传感器的灵敏度和响应速度。
四、非线性光学的研究进展随着科学技术的发展，对于非线性光学的研究也在不断深入。
新材料的发现和设计使得我们能够更好地利用非线性光学效应，如铌酸锂晶体、有机聚合物和纳米材料等。
同时，新的非线性光学技术也在不断涌现，如超快光学技术、光学相位共轭技术等。
这些进展为非线性光学的应用提供了更广阔的发展空间。
五、结语非线性光学作为光学领域的重要分支，在科学研究和技术应用中发挥着重要的作用。
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非线性光学非线性光学是现代光学的重要分支，研究强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. 非线性光学的起源可以追溯到1906年的泡克尔斯效应和1929年克尔效应的发现，但是非线性光学成为今天这样一门重要科学，应该说是从激光发现以后才开始的.非线性光学的发展大体可划分为三个阶段：20世纪60年代初为第一阶段，这一阶段大量非线性光学效应被发现，如光学谐波、光学和频与差频、光学参量振荡与放大、多光子吸收、光学自聚焦以及受激光散射等都是这个时期发现的；第二阶段为60年代后期，这一阶段一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应，另一方面则主要致力于对已发现的效应进行更深入的了解，以及发展非线性光学器件；第三阶段是70年代至今，这一阶段非线性光学日趋成熟，已有的研究成果被应用到各个技术领域和渗透到其他有关学科（如凝聚态物理、无线电物理、声学、有机化学和生物物理学）的研究中.非线性光学的研究在激光技术、光纤通信、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.一、 光场与介质相互作用的基本理论1．介质的非线性电极化理论很多典型的光学效应均可采用介质在光场作用下的电极化理论来解释.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，从而引起光场感应的电偶极矩，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，它被定义为介质单位体积内感应电偶极矩的矢量和：V p P ii V ∆=∑→∆ lim 0 （1）式中i P是第i 个原子或分子的电偶极矩. 在弱光场的作用下电极化强度P 与入射光矢量E 成简单的线性关系，满足E P 10χε= （2）式中0ε称为真空介电常数，1χ是介质的线性电极化率. 根据这一假设，可以解释介质对入射光波的反射、折射、散射及色散等现象，并可得到单一频率的光入射到不同介质中，其频率不发生变化以及光的独立传播原理等为普通光学实验所证实的结论.然而在激光出现后不到一年时间（1961年），弗兰肯（P.A.Franken ）等人利用红宝石激光器输出694.3nm 的强激光束聚焦到石英晶片（也可用染料盒代替）上，在石英的输出光束中发现了另一束波长为347.2nm 的倍频光，这一现象是普通光学中的线性关系所不能解释的.为此，必须假设介质的电极化强度P 与入射光矢量E 成更一般的非线性关系，即)(3210 +++=E E E E E E P χχχε （3）式中1χ、2χ、3χ分别称为介质的一阶（线性）、二阶、三阶（非线性）极化率. 研究表明1χ、2χ、3χ…依次减弱，相邻电极化率的数量级之比近似为11E n n ≈-χχ （4） 其中0E 为原子内的平均电场强度的大小（其数量级约为1011V/m 左右）. 可见，在普通弱光入射情况下，0E E <<，二阶以上的电极化强度均可忽略，介质只表现出线性光学性质. 而用单色强激光入射，光场强度E 的数量级可与0E 相比或者接近，因此二阶或三阶电极化强度的贡献不可忽略，这就是许多非线性光学现象的物理根源.2．光与介质非线性作用的波动方程光与介质相互作用的问题在经典理论中可以通过麦克斯韦方程组推导出波动方程求解.对于非磁性绝缘透明光学介质而言，麦克斯韦方程组为tD H ∂∂=⨯∇ （5） tH E ∂∂-=⨯∇ 0μ （6） 0=∙∇B （7）0=∙∇D （8） 式（5）和（8）中的电位移矢量D 为P E D+=0ε，代入式（5）有 tP t E H ∂∂+∂∂=⨯∇ 0ε 两端对时间求导，有 22220tP t E t H ∂∂+∂∂=∂∂⨯∇ ε （9） 对式（6）两端求旋度，有 tH E ∂∂⨯∇-=⨯∇⨯∇ 0)(μ 将矢量公式E E E E 2)()()(-∇=∇∙∇-∙∇∇=⨯∇⨯∇ 代入式（9）有22022002tP t E E ∂∂+∂∂=∇ μεμ （10） 上式表明：当介质的电极化强度P 随时间变化且022≠∂∂tP 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由方程（10）决定. 3．非线性光学的量子理论解释采用量子力学的基本概念去解释各种非线性光学现象，既能充分反映强激光场的相干波动特性，同时又能反映光场具有能量、动量作用的粒子特点，从而可对许多非线性光学效应的物理实质给出简明的图像描述.该理论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，这些变化除了光子的吸收或发射，更多的涉及到两个或两个以上光子状态的改变（如多光子吸收与发射、光散射等），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；但此时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，则按照著名的不确定关系原理，粒子在中间状态（虚能级）上停留的时间将趋于无穷短.利用中间状态的概念和虚能级的表示方法，可以给出大部分有关非线性光学效应的物理图像.二、 非线性光学效应1．光学变频效应光学变频效应包括由介质的二阶非线性电极化所引起的光学倍频、光学和频与差频效应以及光学参量放大与振荡效应，还包括由介质的三阶非线性电极化所引起的四波混频效应.需要注意的是，二阶非线性效应只能发生于不具有对称中心的各向异性的介质，而三阶非线性效应则没有该限制.这是因为对于具有对称中心结构的介质，当入射光场E相对于对称中心反向时，介质的电极化强度P 也应相应地反向，这时两者之间只可能成奇函数关系，即)(553310 +++=E E E P χχχε，二阶非线性项不存在.1.1 光学倍频效应光的倍频效应又称二次谐波，是指由于光与非线性介质（一般是晶体）相互作用，使频率为ω的基频光转变为ω2的倍频光的现象。
非线性光学
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。
强光下的极化大家知道，电场能引起电介质的极化，极化后的电介质分子都具有一定的电偶极矩P i ，它们沿电场E 有倾向性的排列，介质中单位体积的总分子电矩不为零。
定义P P Vv i =→∑lim∆∆0称P 为极化强度。
实验表明，在弱场情况下P xE =ε0 (4.1) 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++''+=E E E x E E x E x P )3()2()1((4.2)或者写成分量形式 ∑∑∑+++=jkj lk j l k j ijkl k j ijk j ijki E E E x E E x E xP ,,, (4.3)（4.3）式在特殊情况下有较简单的形式 +++=3)3(2)2()1(E x E x E x P(4.4)设E E t =0sin ω，代入（4.4）式，则有P x E t x E t x E t x E t x E t x E t t x E x E x E t x E t x E t =+++=+-+-+=++--+()()()()()()()()()()()sin sin sin sin (cos )(sin sin )()sin cos sin 10202230331020230320210303202303121214331234122143ωωωωωωωωωω =++++P P P P 0123 (4.5)其中 P x E 020212=() 称为直流项；P x E x E t 11030334=+⎛⎝ ⎫⎭⎪()()sin ω 称为基波项；P x E t 2202122=-()cos ω 称为二次谐波项；P x E t 3303143=-()sin ω 称为三次谐波项；…（4.5）式中，除P 1中的x E t ()sin 10ω外，其余都是由P 与E 的非线性关系引起的非线性项。
非线性光学
基频激光在非线性晶体中产生倍频极化波，倍 频极化波在一定厚度的晶体中一边前进，一边 产生倍频次波辐射。倍频次波辐射与倍频极化 波相位相差π/2，它们叠加的结果形成最后出 射的倍频光。 当θ满足相位匹配时，许多倍频次波辐射就因 干涉相长而得到最强的倍频光，反之，不满足 相位匹配时，倍频次波辐射就因干涉相消而使 倍频光为零。
一、线性光学与非线性光学
光波看作电场，电偶极子的负电荷中心 绕正电荷中心作周期振荡。 对于各向同性介质，P和E方向相同，，χ 是极化率。 对于各向异性介质，P和E方向不相同；
在强激光作用下，P和E之间不再是线 性关系。而是（不考虑矢量特性）：
P 0 (1E 2 E 3 E )
1、光学倍频
位相匹配条件：1961年夫朗肯实验时， 入射激光能量转换为倍频光能量的转换 效率极低（10-8）。若考虑到作用光波之 间满足能量守恒和动量守恒时要求的位 相匹配条件，转换效率可以得到提高。 目前接近100%。
1、光学倍频
倍频极化波----产生倍频次级辐射。 因为倍频次级辐射和倍频极化波相速度 不同，所以在晶体各处产生的次级辐射 之间还产生了附加的相位差。 满足位相匹配时，许多倍频次级辐射之 间干涉相长。 不满足位相匹配时，许多倍频次级辐射 之间干涉相消。
2 01
2 02
上式各项中，除了有零频项（直流项） 和倍频项外，还有和频项以及差频项。 这些极化波再辐射，产生相应的零频光、 倍频光和频光、差频光。 四波混频将调谐相干光源的频率扩展到 红外和紫外，可获得入射光波之共轭光 波。
4． 自聚焦现象
当强激光入射到二硫化碳、甲苯等各向 同性介质时，由于介质的分子在激光强 电场的作用下重新定向和重新排列，会 使折射率随光强而变化。
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
非线性光学概述
光与介质相互作用，不改变介质的物理 光与介质相互作用，介质的物理量如极化率、
量的数值。这些物理量只是光频的函数， 吸收系数、折射率等是光场强度函数（非线
与光场强度变化无关。
性吸收和色散、光克尔效应、自聚焦等）。
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（光限制、 光学双稳开关、各种干涉仪光开关等）。
别是二阶、三阶和四阶张量。左边第一项为线性极化项，第二项、第三项
等高阶项为二阶、三阶等高阶非线性极化项。以上极化强度包含线性和非
线性两部分：
P PL PNL
(1.1.3)
式中非线性极化强度可表为：
PNL P(1) P(2) ... P(n) ...
(1.1.4)
总之，非线性光学现象是与高阶极化有关的现象。
分支
激光物 理学
非线性 光学
傅立叶 光学
导波光 学
量子光 学
研究对象
激光器理论以及提高激光品 质的方法
激光与物质相互作用产生非 线性效应
傅立叶光学理论及光学信息 处理应用
光在光纤和平面波导中的传 播与控制
非经典光学现象与原子发光 量子理论
主要应用
各种工作物质和各种脉宽的激 光器系统设计；调Q、锁模、 放大、调制、调频、谱宽压缩、 偏振控制等技术
有人认为，20世纪下半页建立起来的非线性物理学，也是现代物理学的 一块基石。非线性物理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。非线性物理现象包 含在物理学的各个领域，形成了非线性力学，非线性声学，非线性热学，非 线性电子学以及非线性光学等。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。
非线性光学的发展和应用
非线性光学的发展和应用随着科技的不断进步，非线性光学作为一种新兴的领域，正在逐渐成为各个领域的研究热点。
非线性光学是指在光学系统中，当入射光强度较大时，发生非线性效应而产生复杂的光学现象。
它具有多种特性，如倍频、混频、自聚焦、自相位调制、非线性光学吸收等。
这些独特的特性为非线性光学应用打开了广阔的空间，引起了众多学者的关注和研究。
在非线性光学的发展历程中，最先被开发出来的是倍频现象。
在研究中，人们发现如果在一个适当的介质中放置一个二倍频晶体，将单色激光照射到其中，就可以产生双频光输出。
而倍频现象也是所有非线性效应中最为简单的一种。
随着研究不断深入，混频现象也被发现并应用。
混频指的是将两个不同频段的光混合在一起，生成一个新的频率。
在实际应用中，混频现象可以将多个信号合并成一个信号，从而实现信号处理的需求。
自聚焦是非线性光学领域中一种十分重要的现象。
它在激光加工、激光诱导击穿等领域具有广泛的应用。
自聚焦效应是指渐近传输距离上，光束由于介质非线性响应而发生横向自聚焦现象，即使在传输过程中，光束的尺寸也会继续缩小。
这种自聚焦现象可以提高密集激光束的功率密度，从而达到强大的材料加工效果。
除此之外，自相位调制、非线性光学吸收也是非线性光学的应用。
自相位调制是指在介质中传输的光被介质的非线性响应所调制，随着传输距离的增加，光的频谱会发生漂移。
非线性光学吸收是指在入射光的强度达到一定值时，介质中某些物质吸收特定频率的能量，从而使转换效率降低。
非线性光学领域的发展还带来了众多实际应用。
例如，在医疗领域中，激光的黄、绿光谱具有较好的生物组织吸收性，可以用于眼科手术、白内障摘除等。
此外，在光通信中，倍频、混频、调制等技术也得到广泛应用，如QAM调制、光随声波的调制等。
在材料加工领域中，自聚焦、吸收等非线性光学效应可用于高精度加工，如激光微雕、激光银浆印刷等。
此外，非线性光学还可用于光学显微镜、光学光谱仪和计算机科学等领域，也在许多其他领域具有广泛的应用前景。
非线性光学技术的应用领域分析
非线性光学技术的应用领域分析非线性光学技术是一种利用高功率、高能量、高相干性光束对物质进行非线性相互作用的技术，主要用于探测、测量、成像、处理和控制物质的光学性质，具有重要的科学意义和应用价值。
本文将分析非线性光学技术的应用领域，探讨其在光学通信、激光加工、光学传感、生物医学、光学计算等领域中的应用。
一、光学通信领域随着信息技术的快速发展，光通信在通信领域中的应用越来越广泛。
非线性光学技术在增强光通信信号传输的同时，还可用作光时钟、波长转换器等技术。
其中，利用光纤非线性效应实现波长转换器的技术，得到了广泛的研究和应用。
这种技术不仅可以提高光通信传输的带宽和容量，而且还可以减少信号的色散和非线性失真，从而提高系统的可靠性和性能。
二、激光加工领域非线性光学技术在激光加工领域中也得到了广泛应用。
根据不同的光学效应，可以分别利用非线性光学技术实现激光切割、激光打孔、激光复合材料加工等目的。
这些技术在航空、航天、汽车、电子等领域中得到了广泛的应用，可以提高生产效率，减少劳动力成本。
三、光学传感领域非线性光学技术在光学传感领域中也具有重要的应用价值。
例如，通过利用光遍历散射效应，可实现对水质的在线监测和污染物的检测。
利用非线性光学效应，可实现对气体浓度、温度、压力等参数的高精度测量。
此外，还可以用非线性光学技术实现对光纤光栅、微机电系统、化学分析等样品的表面形貌和成分的快速精确检测。
四、生物医学领域非线性光学技术在生物医学领域中也有非常重要的应用。
例如，基于二次非线性光学效应，可以实现对生物组织成分和结构的成像，成为非侵入性的信号采集方法。
其技术可以用于检测人体内部的疾病或肿瘤组织，同时避免对生物组织的损伤。
此外，基于非线性光学效应的多光子激发技术，也可以实现对生物分子的快速高灵敏检测、定位和研究。
五、光学计算领域随着信息技术的快速发展，人们对存储和处理数据的能力要求也越来越高。
非线性光学技术在光学计算领域中也得到了广泛的应用。
非线非线性光学原理与进展钱世雄
聚合物材料
聚合物材料的非线性光学性质主要来源于其分子链的极化率差异，这种差异使得 聚合物在受到外部光场作用时能够产生非线性效应。常见的聚合物材料包括 PMMA、PS、PC等。
聚合物材料的优点在于其制备简单，成本低廉，易于加工成各种形状和尺寸的非 线性光学器件。此外，聚合物材料还具有良好的柔韧性和透明度。然而，聚合物 材料的缺点在于其非线性光学系数较小，且对外部光场的作用较为敏感。
02 非线性光学的基本原理
二阶非线性光学效应
二次谐波产生
光学参量放大和振荡
当强激光通过非线性介质时，光波的 频率会变为原来的两倍，即产生二次 谐波。
利用非线性介质的特性，可以将一束 弱光放大为强光，或者产生一系列不 同频率的光。
光学混频
当两束频率不同的光同时通过非线性 介质时，会相互作用产生新的频率的 光。
非线性光学的应用领域
总结词
非线性光学在许多领域都有应用，如通信、传感、医疗、军事等。
详细描述
在通信领域，非线性光学可用于实现高速光信号处理和光子集成电路等；在传感领域，非线性光学可用于检测气 体、液体和固体中的物质；在医疗领域，非线性光学可用于光动力疗法和光学成像等；在军事领域，非线性光学 可用于激光武器和隐身技术等。
VS
详细描述
光学参量振荡器利用非线性晶体的参量放 大和振荡效应，将输入的激光转换为另一 频率的激光输出。它广泛应用于激光雷达 、光谱学、光学通信等领域。
光学混沌源
总结词
光学混沌源是一种利用非线性系统产生混沌 光场的非线性光学器件。
详细描述
光学混沌源利用非线性光学的混沌效应，产 生一种具有高度复杂性和不可预测性的光场。 这种光场具有宽阔的频率范围和随机变化的 特性，被广泛应用于光通信、光信息处理和 光计算等领域。
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光整流效应： P 中的直流成分表明，光照晶体 可在晶体的某两个表面间产生直流电压。 水 3471.5 Å 二倍频现象： 晶 6943 Å 片
红宝石激光器
脉冲 棱镜
应用： ◆ 使不可见光→可见光（改变光颜色）；
◆
可提高产生所需频率激光的效率。
倍
例如： Nd3+ 激光器→1.064m → 0.532m 绿光 频
钕 不可见 易获高功率 可见 用途广
演示 激光倍频（KG045）
6
由二极管泵浦的Nd:YAG激光器产生的二倍频激光（532nm）装置 （采用自调Q、腔内倍频技术，清华大学物理系研制）
7
二. 混频效应 设输入两束光 ，角频率为 1 、 2 总场强 E = E10 cos 1 t + E20 cos 2 t 则二次项： （2）E2 = （2）（E10 cos1t + E20 cos2t）2 = （2）E102 /2（1+cos21t）+ +（2）E202 /2（1+cos22t）+ +（2）E10 E20 cos(1+2)t + cos(1-2)t
对普通光
此时
E ～ 10 4 V/m，
( 2) E 2 ( 2) E (1) E 10 6 E原子 (1) E
高阶项不重要，只留第一项，是线性效应。
对激光
E 可很容易达到并超过10 8 V/m 此时第二项 ( 2 ) E 2 就不能忽略了，介质就表现
出了各种非线性效应。 1961年弗兰肯（P.A.Farnken）等首先观察到 光学倍频这一非线性现象。此后，非线性光学发 展迅速，并很快形成为一个专门的新兴的学科。
E 不太大时（弱光） —— P与 E 成线性关系
极化强度 P 0 ( r 1) E 0 e E
式中
e r 1 —— 介质的电极化率
2
★
当电场强度 E 很大时（强光）
P 0 (1) E ( 2 ) E 2 ( 3 ) E 3
10
I
I0
透明
不透明
I
非线性 法布里— 珀罗腔 电光晶体 I0 —为入射光强
I — 为透射光强
I 0 I 0 I0 入射光强与透射光强间具有滞后回线的特性。
0
在 I0 和 I0 区间内，每一入射光的光强所对应的 透射光的光强有两种稳定状态 ——光学双稳态。 光学双稳态器件有可能用在：高速光通讯、 光学图象处理、光学限幅器、 光存储以及光学 逻辑元件等方面。 11
半导体制成的光学双稳态器件有如下特点： 尺寸小：直径几 mm 厚度101 ～102m 功耗低：10 W/m2 ～ 1 W/m2 开关时间短： ～ 10 - 12 s 它有可能成为未来的光学计算机的逻辑元件。 当前光学双稳态已成为非常活跃的研究课题。 除以上举例介绍的几种非线性光学效应外， 常见的非线性光学效应还有受激拉曼散射、自聚 焦与自散焦、 多光子吸收等，此处再不介绍了。
( 3 ) —— 三次（阶）非线性极化率 可以证明，各次极化率间有如下关系：
( 2 ) —— 二次（阶）非线性极化率
(1)—— 线性极化率
—— E 和 P 呈非线性关系
( 2) ( 3) (4) 1 ( 2) ( 3) ， 原子 1010 V/m E (1 ) E原子 各向异性介质中，极化率是张量，P 和 E 的关系 较复杂，这里不再做介绍。 3
* 非线性光学简介
（nonlinear optics）
பைடு நூலகம்
图为中国科学院福建物质结构研究所研制的非线性光学晶体三硼酸
1 锂，被美国评为1989年度国际激光与光电子技术领域十大产品之一
*非线性光学简介
弱光在介质中符合叠加原理 — 线性光学 强光在介质中不符合叠加原理 — 非线性光学 对各向同性介质
★ 当电场强度
三 . 光致透明和光学双稳态 激光很强时，物质的吸收系数会与光强有关。 物质的吸收系数正比于上、下能级粒子数差。 强光可使物质分子的一半处于激发态， 此时吸 收系数为0，从而使本来不透明的物质变得透明 ——光致透明。 在电磁学中，磁滞回线（即 B～H 曲线）有 非线性性质，利用它可以制作记忆元件。 非线性光学中也有类似于磁滞回线的现象：
“非线性光学简介”结
束
12
4
下面举例介绍几种常见的非线性光学现象： 一. 倍频效应 由极化强度 P 中的第二项0（2）E 2引起的
二阶非线性效应： 若 E =E0 cos t，则
原有频率
第一项 0 （1）E = 0（1）E0 cos t 第二项 0（2）E 2 = 0（2）E02 cos2 t
= 0（2）E02/ 2（1+cos2 t）
8
激光器1 1
2
激光器2
1 2
1 2 21 2 2 1 2 1+ 2
晶体 （KH2PO4）
1- 2
1 2
1+ 2
2 1 2 2 和频与差频能获得更多频率的相干强光辐射。 例如，利用和频可产生可见光至紫外的强光辐射， 而用差频则可产生波长较长的红外至亚毫米段微 波区的强光辐射。 9