非线性光学前沿

非线性光学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Pi，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PPVvilim0称P为极化强度。实验表明，在弱场情况下PxE0(4.1)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EEExEExExP)3()2()1((4.2)或者写成分量形式jkjlkjlkjijklkjijkjijkiEEExEExExP,,,(4.3)（4.3）式在特殊情况下有较简单的形式3)3(2)2()1(ExExExP(4.4)设EEt0sin，代入（4.4）式，则有PxEtxEtxEtxEtxEtxEttxExExEtxEtxEt()()()()()()()()()()()sinsinsinsin(cos)(sinsin)()sincossin10202230331020230320210303202303121214331234122143PPPP0123(4.5)其中PxE020212()称为直流项；PxExEt11030334()()sin称为基波项；PxEt2202122()cos称为二次谐波项；PxEt3303143()sin称为三次谐波项；…（4.5）式中，除P1中的xEt()sin10外，其余都是由P与E的非线性关系引起的非线性项。图4-1介质的极化光在介质中的速度u是与介电常数ε有关的，而ε与P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nnnE02212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(2)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（4.4）式中单独抽出一项来考虑PxEEiijkjkjk(),2(4.6)1961年，Franken（佛兰肯）用006943.m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03472120.m。这一现象说明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，还有磷酸二氢氨，铌酸锂，铌酸钡钠。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钇铝石榴石（YAG）激光(.)0106m入射铷蒸汽或氙气后观察到的。聚焦点周围的蓝紫色光的波长03542130.m。此后发现了4次、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。2、位相匹配位相匹配是产生非线性效应的关键条件。我们以倍频效应为例。设入射的基频光动量为)(1k，而由介质极化场发出的辐射倍频光动量为)2(2k。介质首先吸收两个光子，然后发射一个倍频光子（见图4-3）。根据动量守恒定律，有)2()(221kk(4.7)0kcnkk0是单位矢量，于是有nn122()()(4.8)式（4.8）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l，当垂直入射的基频波为Etkx01cos()时，产生极化Ptkx()cos()2221晶体内dx段的极化场发出的辐射倍频光传播到出射面时，为dxxkxktdE)]1(22cos[)2(21(4.9)其中，位相221tkx是dx段内极化场p()2本身就具有的，而kx21()是倍频光从x处传播到l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n22()决定其传播速率，最后到达图4-2倍频光吸收双光子发射倍频光子图4-3图4-4基频与倍频光hh2h0dx1ωω2ω出射面的总倍频光为EdEtkkxdxll()()cos[()]222200(4.10)其中，kkk212。对（4.10）式进行积分，得Eklktkkl()sincos[]22222212于是IEllklk()()sin2222222（4.11）当k0，即满足位相匹配条件时2max)2(lII若k0，则各段辐射的倍频光将产生相互干涉，也就观察不到倍频光了。三非线性效应1、光参量放大光参量放大是一种和频与差频的非线性效应。将两种不同频率的光入射到晶体中，则有EEtEt011022sinsin(4.12)其中，1为弱信号光的频率，2为强高频光的频率。由于有非线性效应，故tEEtEEtEtEttEEtEtEP)cos()cos()2cos1(21)2cos1(21sinsin2sinsin210201210201202212012102012220212201这里，和频为12，差频为12，利用受激发射将它们放大，然后再与2混频，可得到放大了的信号光。此外，由于参量放大可以达到升频转换，故这一技术能用于探测红外及远红外辐射，即将不易探测的红外及远红外光升频，使之变成可见光或近红外光，再进行测量。2、自聚焦与自散焦一束平行光经过透镜会产生会聚或者发散，但是若通过均匀透明的平而板玻璃却仍然是平行光。一束强光却不然，当它通过均匀的平而析时，也会会聚成直径为几个微米的细线或一串串细小的焦点，这一现象称为光的自聚焦。此外，实验还表明，强光通过GeS（硫化镉）会出现自散焦，即原来入射的平行光束在GeS中会自动发散开来。自聚焦与自散焦都是一种非线性效应。前面，引入了折射率n与光强E2的关系式n=n0+n2E2/2(n20)当光强E2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nn中心边，这样，自然会使光线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，IO图7-7光折射引起自聚焦弱光强光图7-5自聚焦图7-6光强呈高斯分布中心轴线上功率密度剧增，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相当，此刻介质仿佛是一个吃饱了的“大汉”，它不再吸收光能量，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=E2-E1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=E2-E1强光几乎被吸收了2/3，CS2则由透明变得几乎完全不透明了。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量变换、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4-10所示。入射光为hvL，散射光为hvs；介质分子散射前为a态，散射后为b态。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hvs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，可以从一种频率的激光器产生出另一频率的激光，完成这一功能的装置被称为拉曼激光器。布里渊散射指的是入射时伴随有声波产生，或者说一个光子入射，产生一个出射光子和一个声子，其中声波的波长在微波超声范围内。利用受激布里渊散射效应，能从激光器产生超声波，这一课题，目前尚处在研究阶段。图4-8吸收与透明的关系|b|a图4-10自发拉曼散射4-11SRShLh吸收不透明几乎不透明CS2CS2弱光强光透明图4-9强光不能通过CS2hL(n+1)hnh