《非线性光学简介》PPT课件.ppt

* 非线性光学简介 （nonlinear optics） 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 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 1 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 P与 E 成线性关系 式中 对各向同性介质 极化强度 介质的电极化率 当电场强度 E 不太大时（弱光） *非线性光学简介 2 当电场强度 E 很大时（强光） E 和 P 呈非线性关系 线性极化率 二次（阶）非线性极化率 三次（阶）非线性极化率 可以证明，各次极化率间有如下关系： 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。 E原子 1010 V/m 3 对普通光 E 10 4 V/m， 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 出了各种非线性效应。 此时第二项就不能忽略了， 此时 展迅速，并很快形成为一个专门的新兴的学科。 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 介质就表现 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 若 E =E0 cos t， 第二项 0（2）E 2 = 0（2）E02 cos2 t = 0（2）E02/ 2（1+cos2 t） 第一项 0 （1）E = 0（1）E0 cos t 直流成分二倍频 原有频率 二阶非线性效应： 则 5 光整流效应： 二倍频现象： 用途广 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。 钕 易获高功率 应用： 例如： 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。 不可见可见 Nd3+ 激光器1.064m 0.532m 绿光 频 倍 脉冲 红宝石激光器 水 晶 片 3471.5 6943 棱镜 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 设输入两束光 ，角频率为 1 、 2 总场强 E = E10 cos 1 t + E20 cos 2 t （2）E2 = （2）（E10 cos1t + E20 cos2t）2 二. 混频效应 = （2）E102 /2（1+cos21t）+ +（2）E202 /2（1+cos22t）+ +（2）E10 E20 cos(1+2)t + cos(1-2)t 和频项差频项 则二次项： 倍频项 8 2 1 激光器1 激光器2 晶体 （KH2PO4） 2 1 1+ 2 1 2 2 2 2 1 1 2 波区的强光辐射。 1- 2 122 12 2 1+ 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 9 收系数为0，从而使本来不透明的物质变得透明 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。 强光可使物质分子的一半处于激发态， 物质的吸收系数正比于上、下能级粒子数差。 光致透明。 在电磁学中，磁滞回线（即 BH 曲线）有 此时吸 非线性光学中也有类似于磁滞回线的现象： 非线性性质，利用它可以制作记忆元件。 10 I0 为入射光强 I 为透射光强 0 透明 不透明 透射光的光强有两种稳定状态 入射光强与透射光强间具有滞后回线的特性。 在 I0 和 I0 区间内，每一入射光的光强所对应的 光学双稳态。 光学双稳态器件有可能用在： 逻辑元件等方面。 高速光通讯、 光学图象处理、光学限幅器、 光存储以及光学 非线性 电光晶体 I0 I 法布里 珀罗腔 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