非线性光学效应

非线性光学的发展历史
1985年代至今：应用阶段
• 从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、飞秒领 域。
• 非线性光学现象是高阶极化现象 激光问世之前，人们对光学的认识主要限于线性光学：
光束在介质中的传播是相互独立的； 光的频率在传播过程中不会发生变化； 介质的折射率，吸收系数等和入射光的光强无关，只是入 射光的频率和偏振的函数
介质的极化强度与光波的电场强度成正比
P 0 E
对很强的激光，光波的电场强度可与原子内部的库仑场相 比拟，媒质极化强度不仅与光场场强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－非线性光学效应。
1870, John Kerr demonstrated that the refractive index of a number of solids and liquids is slightly changed by the application of a strong DC field 1890, Friedrich Pockels（泡克耳 斯 ） at the University of Gö ttingen （ 哥 廷 根 大 学 ） studied a related process known today as the Pockels effect. John Kerr was born on 17 December 1824. Starting in 1857 he was mathematical lecturer at the Free Church Training College (自由教会大学 ) in Glasgow(格拉斯哥）.
非线性光学是非线性物理学的分支学科 非线性光学研究强光与物质相互作用的规律，极大地丰富 了非线性物理学的内容。 激光是强光源。 非线性光学是现代光学的分支学科 基于自发辐射的普通光源的光学称之为“传统光学”； 基于受激辐射的激光光源的光学称之为“现代光学”。
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非线性光学的研究内容
非线性光学是研究激光与物质相互作用的学科
激光器的设计与制作
-----半导体激光技术
非线性光学
研究非线性光学的意义 非线性光学的研究内容 非线性光学的发展历史和发展趋势 非线性光学的典型应用 典型的非线性光学过程
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非线性光学的意义
非线性物理学是现代物理学的重要基石。
非线性物理学和量子力学、相对论一起构成了现代物理学 的基石。它是研究物质间在强相互作用下普遍存在的非线性 现象，也就是研究作用与响应之间的关系是非线性的现象。 光学：光的发射、传播以及光与物质相互作用的学科。
滤光片 红宝石 石英晶体 694.3nm 347.15nm 底片
非线性光学这个新学科的出现！
过程，四波混频等。
主动非线性光学效应： 光与介质之间有能量交换；介质 的光学参量与光场强度有关。如非线性吸收——饱和吸 收，双光子吸收；非线性散射——受激拉曼散射，受激 布里渊散射等。
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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：初期创立阶段 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。 1965～1985年：发展成熟阶段 继续发现新的非线性光学效应：非线性光谱方 面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等；对 已发现的效应进行更深入的了解，并发展各种非 线性光学器件。
泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应
某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光 学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化 的现象为电光效应。电光效应包括泡克耳斯 (Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。电光效应是指某些 各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向 异性的效应。折射率与所加电场强度的一次方成正 比改变的为Pockels效应或线性电光效应，1893年由 德国物理学家泡克耳斯发现。折射率与所加电场强 度的二次方成正比改变的为Kerr效应或二次电光效 应，1875年由英国物理学家克尔(John kerr,18241907)发现
P 0 ( E E E ...)
(1) (2) 2 (3) 3
光对媒质的作用 非线性关系
媒质响应
• 非线性光学与Βιβλιοθήκη Baidu性光学的区别
非线性光学效应的分类 按照激光与介质相互作用的方式，可以分为被动非线性 光学效应和主动非线性光学效应。 被动非线性光学效应： 光与介质之间无能量交换；只是 在不同频率的光之间进行能量交换。如倍频过程，参量
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1960, Maiman and the first ruby laser
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激光器的基本结构
•电泵浦或光泵浦；
•造成工作物质中粒子数反转分布 ， 自发辐射引发受激 辐射；
•谐振腔对辐射光波选频放大。
非线性光学的发展历史
1961年Franken等人在Michigen大学的实验－光学倍 频实验。
泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应
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。