非线性光学-1

教材：《非线性光学物理》叶佩弦著参考书目：1、《强光光学及其应用》刘颂豪赫光生著2、《非线性光学原理》沈元壤著顾世杰译3、《非线性光学》石顺祥陈国夫赵卫刘继芳编著4、《非线性光学》李淳飞著5、《高等光学教程》季家镕冯莹编著课程主要内容绪论非线性电极化过程和耦合波的基础知识光学倍频效应/和频、差频效应（三波混频）/光学参量振荡和放大效应四波混频/光学相位共轭第五章光学克尔效应/光束自聚焦/自相位调制/光学双稳态效应第六章受激拉曼散射/受激布里渊散射非线性的概念来源线性相应和非线性响应描述物理量之间的联系变化关系认知逻辑的“惰性”对变换关系的简单理解总希望找到线性关系在进一步深化认识的过程中，又意识到非线性的存在线性响应非线性响应非线性科学非线性科学，目前有六个主要研究领域，即：混沌(Chaos)孤子波（Soliton）分形（Fractal）模式形成（Patternformation）元胞自动机（Cellularautomata）复杂系统(Complexsystem)线性和非线性(数学和物理上)目前发展起来的非线性物理学科包括：*非线性光学（NonlinearOptics）*非线性声学（NonlinearAcoustics）*非线性动力学（NonlinearDynamics）*量子混沌(QuantumChaos)……非线性光学绪论研究范畴极化响应过程辐射过程介质对光场的响应呈线性关系：线性光学介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学)(~)(tPtE非线性光学是研究强光与物质相互作用过程中出现的各种新现象和新效应光物质)(tE光)(tP介质极化辐射)(tE各种非线性光学现象)(P各光波间能量的转换耦合波方程绪论非线性光的学的基本体系极化极化对电场的响应非线性响应极化的宏观描述光学非线性响应---极化光学非线性响应---原子、分子的非线性响应光与物质相互作用的线性描述已不能满足需求其中，(1)为线性极化率，(2)和(3)是二阶，三阶非线性极化率。对于各向异性介质，(n)为（n+1）阶张量，张量元一般为复数，实部对应介质的折射率，虚部对应介质的吸收NLPPPPPEEEEEEP)1()3()2()1()3(0)2(0)1(0:极化强度的非线性表达介质对光场的响应呈线性关系：线性光学介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学)(~)(tPtE诞生适用范围发展阶段特点绪论非线性光学的历史非线性光学的诞生最早的光学二次谐波产生1961年Franken在非线性晶体中，如果注入的泵浦光足够强，就会发生一系列的非线性效应。非/线性描述的适用范围atnnEEPP~)()1(原子内的平均电场强度的大小（～1011V/m）弱光下，，二阶以上非线性极化强度可忽略强光下，，二阶以上非线性极化强度不可忽略atEEatEE~由非线性光学理论可以证明学科特点激光技术催生非线性光学的出现并推动了其发展。线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性叠加原理非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不成立线性光学非线性光学单束光在介质中传播，通过干涉、衍射、折射可以改变空间能量的分布和传播方向，但与介质不发生能量的交换，不改变光的频率某一频率的入射光，可通过与介质的相互作用转换成其它频率的光（如倍频），还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强（受激拉曼散射）多束光在介质中交叉传播，不发生能量相互交换，不改变各自的频率多束光在介质中交叉传播，可能发生能量相互转移，改变各自频率或产生新的频率（三波和四波混频）光与介质相互作用，介质的物理参量只是光频的函数，与光场强度变化无关光与介质相互作用，介质的物理参数如极化率、吸收系数、折射率等是光强的函数（非线性吸收和色散、光克尔效应和自聚焦）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（光限幅、光学双稳、各种干涉仪开关）多束光在介质中交叉传播，各光束的相位信息彼此不能相互传递光束之间可以相互传递相位信息，而且两束光的相位可以互相共轭（光学相位共轭）非线性光学过程的能量、动量条件发展历史（三阶段）1）非线性光学的早期10年（1961-1970）1961，红宝石激光倍频(SHG)（标志非线性光学真正诞生）随后发现了几种非线性光学的基本现象和各种瞬态光学效应：和频、差频、参量振荡；受激拉曼散射、受激布里渊散射、相干（反）斯托克斯；光子回波、光学章动、光学自感生透明；自聚焦、自相位调制、光学相位共轭1965年，Bloembergen等人出版《NonlinearOpticalphenomena》一书，基本建立了以非线性介质极化和耦合波方程组为基础的非线性光学理论2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990）发现新的非线性光学效应：四波混频、光克尔展开各种非线性光学效应的应用研究：扩展激光波长的范围和发展各波段连续可调谐技术;发展非线性光学共轭技术及应用;以光计算和光电子技术为应用背景，出现了各种光学双稳的方案和装置。与材料研究紧密结合（非线性光学晶体BBO,LBO/半导体超晶格/量子阱/有机聚合物）1984年，沈元壤出版《ThePrinciplesofNonlinearOptics》一书3）非线性光学研究的未来发展趋势非线性光学规律研究的发展趋势研究对象从稳态过程转向动态；所用光源从连续、宽脉冲转向纳秒、皮秒、飞秒甚至阿秒超短脉冲；从强光非线性研究到弱光非线性研究；从基态－激发态跃迁非线性光学研究转向激发态－更高激发态跃迁非线性光学研究；从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象；从二能级模型研究转向多能级模型；研究物质的尺度从宏观尺度（衍射光学），到介观（纳米）尺度（近场光学），再到微观尺度（量子光学）。非线性光学材料研究的发展趋势从晶体材料到非晶体材料；从无机材料到有机材料；从对称材料到非对称材料（手性材料）；从单一材料到复合材料；从高维材料到低维材料，如从三维的体块材料到二维的表面、薄膜材料；从宏观材料到纳米材料，如半导体量子线和量子点、光子晶体以及纳米管、纳米球和团簇材料。一、最常见的频率变换模型针对掺Nd3+的4F3/24I11/2跃迁，发射波长在1060nm左右ω1+ω1=2ω1，得到2倍频绿光SHGω1+2ω1=3ω1，得到3倍频紫外光SHG+SFG=THG3.倍频激光器的结构常见的非线性效应典型的二阶非线性效应光学二次谐波（倍频），和频，差频，光参量振荡/放大•典型的三阶阶非线性效应光学三次谐波（直接三次谐波），光学克尔效应及自聚焦、自散焦，受激拉曼散射、受激布里渊散射、四波混频•瞬态相干光学效应光学章动、光学回波和自感应透明等由短脉冲激光与介质相互作用产生的瞬态效应非线性光学的主要机制电子的贡献电子云的畸变电子能级布局数的改变分子的振动与转动分子的重新取向与重新分布电致伸缩热效应非线性光学的应用价值和科学意义1）提供了产生强相干光辐射并扩展其波段的新手段；2）解决激光技术本身提出的一些课题；5）是促进基础理论发展的一种动力。3）提供了一批新方法和新技术；简并四波混频产生相位共轭波；采用非线性饱和吸收调Q开关和锁模；采用双光子吸收检测超短脉冲的脉宽；光学击穿用于触发快速火花隙电开关；采用强光自相位调制和自加宽效应产生超连续谱；采用自相位调制可用光纤中产生光孤子。4）是认知和了解物质材料的一种重要手段；通过强光与物质相互作用的研究，可以获得有关物质的组成、结构、状态、能量耦合和转移等材料内部的信息。它和材料研究紧密相关。fordevelopmentofmethodstocoolandtrapatomswithlaserlight1997年诺贝尔物理奖得主StevenChu,ClaudeCohen-Tannoudji,WilliamD.PhillipsStanfordUniversityStanford,CA,USACollègedeFrance;ÉcoleNormaleSupérieureParis,FranceNationalInstituteofStandardsandTechnologyGaithersburg,MD,USARingsonthewaterOverahundredresearchgroupsarenowworkingonlasercooling.ManyapplicationshavebeentriedsuchasBose-Einsteincondensation（2001诺贝尔物理学奖）,atomoptics,atominterferometry,atomclocks,opticallattices,opticaltweezers,atomlasers,high-resolutionspectroscopyandfundamentalinvestigationsoftheinteractionbetweenlightandmatter.StevenChu“指挥原子跳舞的人”fortheachievementofBose-Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms,andforearlyfundamentalstudiesofthepropertiesofthecondensates2001年诺贝尔物理奖得主EricA.Cornell(USA)WolfgangKetterle(Germany)CarlE.Wieman(USA)杨振宁说：”虽然朱等3人没有做这种奇特的BEC现象，但却为BEC的工作铺了路。“激光冷却技术的发明直接导致了玻色-爱因斯坦凝聚这一著名理论论断的实验验证,这成为20世纪末物理学的重大突破之一。2005年诺贝尔物理奖得主霍尔(J.L.Hall)、汉什(T.W.Hänsch)和葛劳柏（RoyJ.Glauber）美国科学家约翰-霍尔德国科学家汉什美国科学家葛劳柏forhiscontributiontothequantumtheoryofopticalcoherencefortheircontributionstothedevelopmentoflaser-basedprecisionspectroscopy,includingtheopticalfrequencycombtechnique原子冷却与BECBEC、超导与宏观量子态BEC的性质内部无阻力（激光、超导）传播电子对波，形成宏观电流，无需电压原子几乎不动（原子钟）BEC的其它“亲戚”超流体氦：2.2KHe原子BEC液体流动无粘度超导体：电子对BEC无电阻激光：所有光子处于同一量子态激子：空穴－电子对Cu2O出现短寿命气态凝聚激光制冷多普勒冷却多普勒冷却Acollectionofsodiumatoms(yellowdotinmiddleofpicture)trappedinaMOT（Magnetic-OpticalTrap）.A采用可调激光技术控制激光频率DopplerCoolingBOpticalmolassesIntheareawherethesixlaserbeamsintersect,theatomsmoveslowlyasinastickymedium.偏振梯度冷却Acollectionofsodiumatoms(yellowdotinmiddleofpicture)trappedinaMOT（Magnetic-OpticalTrap）.A采用可调激光技术控制激光频率DopplerCoolingBOpticalmolassesIntheareawherethesixlaserbeamsintersect,theatomsmovesl