非线性光学前沿

1、非线性光学是现代光学的另一个重要分支它是介质在强相干光作用下产生的非线性 现象及其应用的一门学科，与新材料.新技术有密切的联系。下面简单介绍其原理现象及 应用。一强光下的极化我们都知道，-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 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。定义称P为极化强度。实验表明，在弱场情况下P = oxE图4介质的极化在强场情况下，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P = X E+X 0E + X EEE+或者写成分量形式P =+ 工x谏 EjEk + jxjjklEjEkEl + jj*j-kJO式

2、在待殊情况下有较简单的形式P =+ xi2E2+x0)E3 + -设E = E() sin co/,代入()式，则有P = xE()sin3/ + aj2)E02 sin2 cot + xl3E()3 sin3 co/+=a-(IiE0 sincor + xE()2(1 -cos2cor)+ x(3,E()3(3sinco/ - sin33/)+=；xE, +(%仇+討弗)sm 3/COS 23/ sin 33/+其中称为直流项；称为基波项；称为二次谐波项;=比+片+ + &+ P0=1x2)E02 片=(x)Eo+扌+jsinco/P、= -x(2iE()2 cos2cd/sin 3cot称

3、为三次谐波项;O式中，除R中的x（,）EosincD/外，其余都是由P与E的非线性关系引起的非线性项。 光在介质中的速度u是与介电常数有关的而与卩有关。因此，介质的折射率n 也将与P或者与光强有关，展开到二阶项有这样一来，在强光下光的反射.折射.会聚.发散、吸收等都与光强度有关，称这种强光 的光学效应为非线性光学现象。极化强度与光场强的非线性关系是产生诸多非线性光学现 象的物理原因。二谐波效应与位相匹配1、谐波效应大多数晶体（指无反演对称的晶体）的非线性极化率X决定于电场传播方向.偏振 状态和晶体光轴取向。为简便计，从（）式中单独抽出一项来考虑1961年，Franken （佛兰肯）用Xo =

4、0.6943p/rz的红宝激光入射石英晶体，经透镜会聚后,发现在红色聚焦点周围有蓝紫色光泽出现，其波长九= 0.3472屮n =丄九。这一现象说明2一部分红光经过石英晶体后，频率增加了一倍。强光下产生倍频光的物质，除石英晶体外,2、位相匹配还有磷酸二氢氨，規酸锂，铤酸领钠。金属蒸汽和某些液体 也具有此种性能,3次谐波效应就是在使用锂铝石榴石（YAG） 激光（九o = 106屮砒入射钮蒸汽或凱气后观察到的。聚焦点 周围的蓝紫色光的波长X = 0.3542屮=丄九0。此后发现了4矢5次直至15次谐波效应。谐波效应产生的多倍频光，可以解释为由极化后的介质 发出。为此，还必须介绍位相匹配的概念。位相匹

5、配是产生非线性效应的关键条件。我们以倍频效应为例。设入射的基频光动呈为斤（0）,而由介质极化场发出的辐射倍频光动量为吸收双光子发射倍频光子图4-32 斤(e) = &(2e)E（2e）。介质首先吸收两个光子，然后发射一个倍频 光子（见图4-3）。根摇动呈守恒定律，有F是单位矢呈，于是有/?!（） = “2 （23）式（）表明基频光的相速等于谐频光的相速。设晶体平行块的厚度为/,当垂直入射的基频波为Eo cos(coz - Z:rv)时，产生极化P(2co) oc cos(2cor 一 2kx) 晶体内dx段的极化场发出的辐射倍频光传播到出射面0I IIIO Z XI I0 dx 1图4-4基频

6、与倍频光dE(2co) qc cos2fiX 一 2x -褊(1 一 x)dx 其中，位相2st -2中是dx段内极化场(23)本身 就具有的，而一心(1一力是倍频光从x处传播到/处的 位相变化。可见，处在晶体不同位置的极化场源所发出 的倍频光具有不同的初位相，它们完全由基频光决定。 而倍频光则统一由勺(23)决定其传播速率，最后到达 出射面的总倍频光为E(2co) = J(/E(2co) = J(cos2co/ 一k2N0）图宀自衆当光强E，增大时，n亦增 大；反之，则n减小。通 常，激光束的光强呈高斯分布（见图7-6）.中心轴线处 光强大，四周渐弱。于是有n中心 灯边，这样，自然会 使光线

7、由四周向中心轴线会聚。光的自聚焦又称为光自陷，它和通常的透镜聚焦不图7-6光强呈高斯分布同。自聚焦的光聚焦后不再发散。目前多认为电致 伸缩是引起自聚焦的主要原因。发生自聚焦现象时, 中心轴线上功率密度剧増，达到102MW以上，因而 介质击穿甚至炸裂。这是发展高功率激光的重要障 碍，也是激光武器和核技术的重要研究课题。3、自感应透明强光通过光学介质时，可使介质由不透明或部分透明变成完全透明，这种现象称为自 感应透明。透明与介质对光的吸收有关。一般情况下，介质的原子多处在低能级上，因此, 介质总是要吸收外来的光子，成为半透明的或不透明的。但是，强光能在一瞬间处于高能 级的原子数与处于低能级的原子数

8、相当，此刻介质仿佛是一个吃饱了的“大汉X它不再吸 不 吸收适空明收光能量，因而变成透明介质。完全相反的情况也可能在强光通过时出现。例如，当 弱光通过CS2时，只存在单光子吸收过程hv=E 由于吸收较少，介质基本上是透明的。但当强光通过时, 由于能产生双光子吸收，故一次吸收两个甚至多个光子 2hv=EE$强光几乎被吸收了 2/3, C,则由透明变得几乎完全不透图4-8吸收与透明的关系 明了。图4-9强光不能通过CS2此外，强光与物质作用时，还与时间的长 短有关。用超短过程我们能子解光合的能疑变 换、化学反应的中间过程及激光核聚变的动力 学过程等等。4、受激散射效应强激光通过介质时，各种散射现象均可能产生受激效应。当入射光强增加到一定值时, 散射光因受激效应的增益大大胜过其损耗，由此得到较强的散射光。同时，这一过程往往 还伴随着介质分子能级的跃迁，例如拉曼散射.布里渊散射等。这里将着重介绍受激拉曼散射（简记为SRS）。一般的拉曼散射为自发散射（简记为RS）,原理如图4T0所示。入射光为hvl 散射光为 加,；介质分子散射前为|态，散射后为卩 态。图4-10自发拉曼散射受激拉曼散射则不同，由于强光产生的散射光 亦强，故在这些散射光的诱导下，介质分子将以更 大的几率发射/$光子，因而SRS的转换率比自发RS提高了 100倍以上。利用这一原理，