非线性光学

非线性光学综述

摘要

文章简要回顾了非线性光学的诞生以及早期的发展，包括二次谐波，激光和频和差频现象，以及受激拉曼散射等，介绍了非线性光学的一些重要研究成果，最后对非线性光学当前和未来研究热点作了总结和展望。

关键词

非线性光学

The summary of nonlinear optics

Abstract

This article presents a brief introduction to the birth and early investigations of nonlinear optics, such as second harmonic generation, sum and difference frequency generation, and stimulated Raman scattering etc. Several important research achievements and applications of nonlinear optics are presented. In the end, current and future research optics in nonlinear optics are summarized.

Keywords nonlinear optics

1 非线性光学的诞生

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。激光与物质的非线性相互作用，可以从极化偶极矩的表达式 (2)(3)()::p E E E E E E E ααα=+++ ，中看出。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[1]。

2几种典型非线性光学效应及其应用

2.1光学变频效应

不同频率的光波之间进行能量变换,引起频率转换的各种混频现象叫做光学变频效应.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、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.

以上各种非线性光学变频效应是目前比较成熟的相干光变频手段.当入射激光满足相位匹配条件(即动量守恒条件)且其中一种为可调谐时,可通过这些效应获得高频率可调谐变频相干光输出.另一方面,相干光混频效应也为人们提供了一条研究物态结构、分子跃迁和凝聚态物理过程的新途径.当前,带有二倍频器、三倍频器和四倍频器的固体激光器和光参量振荡器作为独立元件已很容易获得,并在许多系统(如光刻照相和材料处理)中得到运用.

图1 红宝石激光器通过石英晶体和棱镜分光，发现二阶非线性光学现象

2.2光的受激散射效应

光通过介质时都有一部分能量偏离预定的方向而向空间其他方向弥散开来,这种现象叫光的散射.激光出现以后,以单色高亮度的激光作为入射光束,不但使光的散射现象更易于观测和研究,而且各种散射过程由自发散射转变为受激散射,散射光是具有高度方向性的相干光,其强度也会有几个数量级的增加.我们把这类现象称为光的受激散射效应[2].

通过研究受激散射效应,不但大大加深了人们对强光与物质相互作用规律性的认识,而且也从根本上提供了一种产生强相干光辐射的新方式.目前已被广泛应用于分子结构的研究,测量分子瞬态寿命、相干时间和测量大气污染等.

2.3光学相位共轭效应

非线性光学相位共轭(NOPC)技术是近30多年来发展起来的现代光学的分支.它能够通过全光学方案对电磁波进行实时的空间和时间信息处理,给出具有任意空间相位和偏振的单色入射光场的时间反演.应用这一原理,可以使严重畸变的光束回复到初始未畸变的状态,因而在激光工程中有许多可能的应用,受到人们广泛的注意.光学相位共轭效应可在激光技术、光学成像与信息处理技术、全息适时显示技术以及光学图像的转换和增强技术中获得一系列重要的应用

2.4光学双稳态效应

在电子学中,双稳态是一个单元电路,它对于同一个输入电信号具有高低不同的两个电阻值;在光子学中,双稳态则是一个光学元件,它对于同一个入射光强具有高低不同的两个透射率,称为光学双稳态.它对于理解光信息的存储、运算和逻辑处理等有重要意义.

2.5光学孤子

光波、声波或水波都有一个共同的特点:传播越远,扩展越大.如果波在传播时保持稳定的形状而不扩展,这样的波就称为孤子波(solitary wave). 利用光学孤子理论制成的光纤孤子通信系统具有实现超长距离、超高码率的全光通信能力,在光学通信中具有较好的应用前景.

3目前引人注意的一些非线性光学领域

3.1用于动态过程研究的超快光谱技术(ultrafast spectroscopy for dynamic studies)

现在超快光谱术通常采用的是脉冲激光泵/测的手段,光源一般用的是皮秒或飞秒的脉冲激光.首先在零时刻!泵浦的激光脉冲激发了物，然后探测的脉冲激光，在不同时间，像照相一样可以去探讨物质被激发后的弛豫动态。

3.2相干非线性光学(coherent nonlinear optics)[3]

相干非线性光学也是一个比较前沿的领域。相干性来自光波的相位，激光有很清楚的相位，因此相干性强。在某些非线性光激发物质的过程中有显著的影响

3.3单光子非线性光学

3.4激光锁模与光梳

3.5强场激光物理及强非线性效应

3.6强非线性光学效应

3.7高能密度物质

3.8光子晶体光纤非线性光学[4]

光子晶体光纤可以允许传统光纤中不可能传导的波长范围和功率水平,它不仅可以降低受激拉曼散射、受激布里渊散射和色心效应等非线性效应的阈值功率,而且可以极大地推动各个波段上其他相关光电子器件的发展

4结束语

非线性光学具有极大的科学技术价值.人们在研究各种非线性光学现象的基础上,已提供和发展了许多实际可用的新方法和新技术,并为今后一些长远的技术应用打下了物理基础.非线性光学对其他学科也有很大影