第1讲-绪论

非线性光学技术NonlinearOpticsTechnologyYaoBaoquanTel:0451-8640283513796654672Email:[e-mail]:203(Office),328(Lab)Building2A,HITScienceParkSpring2015Introduction一、非线性光学及其研究对象？非线性光学是激光产生以后发展起来的“现代光学”的一个分支学科，它所研究的对象是强光与物质相互作用过程中出现的各种新现象和新效应，包括对这些新现象和新效应的产生和发展过程的深入理解，以及探索它们在当今或今后在科学技术中的可能的应用。？光与物质相互作用：光在介质中的传播过程就是光与物质相互作用过程，该动态多呈可视为两个分过程：1）介质对光的响应过程；2）介质的辐射过程。？介质对光的响应：热响应、电致伸缩响应、电子轨道畸变响应、光折变响应和光极化响应。在非线性光学理论中，通常采用光在介质中引起的极化响应(theinducedpolarizationresponse)来描述光与介质的相互作用、光在介质中的传播过程。外电场E无外电场电极化强度：当光入射到介质时，在光电场作用下，组成介质的极性分子、原子、电子的电荷发生整体或相对位移，感生次级电场，称为电极化强度(,)Ert(,)Prt极性分子的重新分布束缚正负电荷发生位移e.gMoleculeO2CenterofnegativechargeCenterofpositivechargefieldelectricAppliedEdipoleinduced电子云畸变原子假想为两个很小的带正负电荷的小球，外场使正负电荷由重合到拉开一段距离，形成电偶极子。电介质：由原子组成，其所带电荷只局限在空间小区域内。该微小带电体系可看成各级电偶极子的叠加。典型光致极化机理的响应时间MechanismResponseTime(sec)非线性极化率(n2)Eletronicpolarization（电子极化）10-1510-22Molecularorientation（分子取向，如CS2）10-1210-20Electrostriction(电致伸缩）10-910-20Thermaleffect10-310-12Photorefractiveeffect（光折变）(intensity-dependent)(large)宏观电极化强度：单位体积内电偶极子电矩的矢量和，也是电偶极矩的体密度。10limNiiVPPVPNerInduceddipolemomentChargedensityElectronchargeDisplacementerP一、非线性光学及其研究对象线性光学，介质对光响应的极化强度与光电场强度成线性关系：研究光的折射、双折射、散射；光在介质传播过程中频率不变，光学常数固定：如吸收系数、折射率和色散关系(1)0PE电极化强度Electricpolarization线性极化率Linearsusceptibility电场强度Electricfieldamplitude真空中的介电常数Permittivityoffreespace非线性光学，当强(激)光与介质相互作用，此时介质对光响应的极化强度与光电场强度关系为非线性，采用幂级数形式表示：(1)(2)(3)0001(2)(3)PEEEEEEPPP（）•∶二阶极化率张量Second-ordersusceptibilitytensor三阶极化率张量Third-ordersusceptibilitytensor(1)(2)2(3)000123PEEEPPP（）（）（）矢量形式标量形式LNLPPP极化强度为线性极化强度和非线性极化强度之和：LPNLP21(2)(1)PEP~太阳光∣E∣~4V/cm脉冲调Q激光∣E∣~105-106V/cm飞秒激光∣E∣~108V/cm121atomatomEE20202001114=,4=5.1410atomeEeamea其中,电子电荷，波尔氢原子半径V/m232422m13.7810VatomE21211.9410m/V1.94pm/VatomE估算非线性极化率值非线性极化强度的作用非线性光学用半经典理论描述激光与物质相互作用，激光辐射场为遵守经典电动力学规律的电磁波，因而它的运动状态用麦克斯韦方程来描述；物质视为一量子系统，因而其运动规律用量子力学描述。宏观麦克斯韦方程：物质方程：00;;DEPBHJE=0=00BEtDHJJtDB2002DEHtt由麦克斯韦方程组和本构方程非线性极化强度的作用非线性光学问题归结为两个问题：一是求出非线性光学介质感应的非线性极化强度PNL；求得PNL后，把它作为次波源，在一定的边界条件下求解麦克斯韦方程，从而求得非线性辐射场。由此可见，非线性光学现象的描述中，首要问题是求出感应的非线性极化强度。2-EEE0100101NLNLNLDEPEEPEPEP近似等于0E非磁性均匀介质中的波动方程20022NLPEEtt介电张量非线性光学过程描述:（1）二次谐波产生（Secondharmonicgeneration)P.A.Franken,“GenerationofOpticalHarmonics”,1961，Phys.Rev.Lett.7:118347.15nmTwoexperimentalfacts:1)Thelightat347.15nmdisappearswhenthequartisremovedorreplacebyglass;2)Thelightat347.15nmexhibitstheexpecteddependenceonpolarizationandorientation.(1)二次谐波产生二次谐波产生的解释：含时间变量的电场强度用复数表示：itEtEe,光电场振动的角频率实数形式的电场强度:*..=itititEtEeccEeEe(c.c.共轭复数）1..2itEtEecc2222**00*222222002222200+2..+2ititititititPtEtEeEeEeEeEeEEEccEe：：：：：：有的文献多出一个½系数，当强激光入射到石英晶体介质中，二阶非线性极化强度不能忽略，写为：倍频项零频项二阶极化率张量中有非零元素；二阶非线性极化强度式中有2倍频项；介质辐射频率为2的谐波；二阶非线性极化强度与晶体的对称性和基频光偏振方向相关。211121011210111112222,--;,二阶极化率张量：；，产生二次谐波的极化强度：分量形式：iijkjkjkPEEPEE(1)二次谐波产生111二次谐波产生能级图111二次谐波产生几何图倍频的应用用途：三基色显示，目标指示，激光水下成像，激光医疗非线性光学过程描述:(2)和频、差频如果两个频率的激光入射到介质中，则介质中的总光电场是这两个电场的叠加。121212+..;+..ititEtEeccEtEecc1212..ititEtEeEecc121211212222201222**0121222222012121:..22::ititititititiitittPtEeEeccEeEeEeEeEeeEEeEE12221*222+2+..itEEEecc两个光电场分别表示为：此时二阶非线性极化强度写为：介质中总的光电场分别表示为：角频率为1,2光的倍频项；角频率为1,2光的和频项；角频率为1,2光的差频项；角频率为1,2光的零频项；或称作光整流共轭项2-nitnnPPte122102:EP22201202EPE222202:EP22*21102:PEE2120122:PEE(倍频）(倍频）(和频）(差频）(光整流效应）*210122:EP*220222:EP22**21102:PEE12*22102:PEE对应的负频率项，或共轭项两个频率不同的强光场入射到介质中时，产生的不同频率二阶非线性极化强度项：介质内总的二阶非线性极化强度：31223122303121223031212122,=+-D-D-;,DiijkjkjkPEEPEE三波频率关系：极化率张量：；，产生和频波的极化强度：；，分量形式：为简并度，，简并度为和频213和频能级图1和频几何图2和频应用举例和频产生355nm紫外光312222311322202313121013232**=+--,--2--2--PEEPEE三波频率关系：极化率张量：；，；，产生差频的极化强度：；，；，差频、参量放大、光学参量振荡器23差频能级图1差频相互作用几何图22差频产生参量放大差频(DifferenceFrequencyGeneration）参量放大(ParametricAmplification)CdSem差频产生长波红外激光(MenneratG.,ASSL,1998:269-272)差频产生mmZnGeP2nm差频产生太赫兹光(CreedenD.,Opt.Express,2007:6478)差频产生znm光学参量振荡器（OpticalParametricOscillator)光学参量振荡器基本结构示意图spi差频()能级图OPOispisp111:或三光子满足能量守恒L三阶非线性光学效应3123330123123123-;,,-;,,PDEEE三阶极化率张量：三阶非线性极化强度：1.光致折射率变化233302002232-;-;,,()++(,cm/WW/,cm,三阶极化率张量：三阶非线性极化强度：；光强，）PEnInnnnInIE非线性光学现象：克尔效应，自聚焦，自散焦,自相位调制，交叉相位调制110PE三阶非线性光学过程1)克尔效应(3)(3)0003;0,0,静电场产生的三阶非线性极化强度：iijkljklPEEE直流偏