非线性光学概要及光电子器件

1、非线性光学概要及光电子器件 非线性光学概要及光电子器件 当光照射物质时，光波电磁场将对物当光照射物质时，光波电磁场将对物 质中的电子产生作用，在外电场的作用下，质中的电子产生作用，在外电场的作用下， 介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波 的电磁场的变化产生振荡。的电磁场的变化产生振荡。 + 原子的电极化：负电荷中心与正电荷原子的电极化：负电荷中心与正电荷 中心产生偏离的状态。中心产生偏离的状态。 非线性光学概要及光电子器件 qrp 若物质中的电子在外场作用下产生位若物质中的电子在外场作用下产生位 移移 r，则每个电子产生一个电偶极矩，则每个电子产生一个电

2、偶极矩 p。 若光波随时间作正弦变化，即它的电若光波随时间作正弦变化，即它的电 场强度沿两个相反方向交替变化，电偶极子场强度沿两个相反方向交替变化，电偶极子 的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。 表征电偶极子的物理量是电偶极矩。表征电偶极子的物理量是电偶极矩。 NqrP 若单位体积中有若单位体积中有N 个电偶极子，个电偶极子，N 个偶个偶 极矩的矢量和为极化强度极矩的矢量和为极化强度P。 非线性光学概要及光电子器件 ：电偶极矩与外界电磁场成：电偶极矩与外界电磁场成 线性关系。线性关系。 当光与物质相互作用时，光场中的电当光与物质相互作用时，光场中的电

3、 场强度使介质原子因感应而产生电偶极矩，场强度使介质原子因感应而产生电偶极矩， 电偶极矩叠加起来形成电极化强度。电极电偶极矩叠加起来形成电极化强度。电极 化强度产生极化场，极化场发出次级辐射。化强度产生极化场，极化场发出次级辐射。 xEP 0 若若E 以以作简谐变化，作简谐变化，P 及其产生的及其产生的 次级电磁辐射也以同样的次级电磁辐射也以同样的作简谐变化，作简谐变化， 因两频率相同，次级辐射与入射光波叠加因两频率相同，次级辐射与入射光波叠加 的结果使光波的单色性不变。的结果使光波的单色性不变。 非线性光学概要及光电子器件 当有几种不同频率的光波同时与该物当有几种不同频率的光波同时与该物 质

4、相互作用时，各种频率的光都线性独立质相互作用时，各种频率的光都线性独立 地反射、折射和散射，不会发生新的频率。地反射、折射和散射，不会发生新的频率。 在线性光学中，物质对光场的响应与在线性光学中，物质对光场的响应与 光的场强成线性关系。光的场强成线性关系。 外界作用的光场较强，电外界作用的光场较强，电 偶极子的振荡不再具有位移与外电场成线性偶极子的振荡不再具有位移与外电场成线性 的关系，产生的电磁振荡是非线性的。的关系，产生的电磁振荡是非线性的。 32 EEEP 非线性光学概要及光电子器件 光通过物质时，光波的电矢量使物质中光通过物质时，光波的电矢量使物质中 的带电粒子作受迫振动，一部分光能用

5、来提的带电粒子作受迫振动，一部分光能用来提 供振动所需能量。光的强度随穿入物质的深供振动所需能量。光的强度随穿入物质的深 度而减少，光能被物质吸收后转变为热能。度而减少，光能被物质吸收后转变为热能。 dx I dI 光强为光强为I 的平行光束通过一无限薄层的平行光束通过一无限薄层dx 时，强度减少了时，强度减少了d I，a 为吸收系数。为吸收系数。 al eII 0 对上式进行积分，可求出在通过厚度对上式进行积分，可求出在通过厚度 为为 l 的吸收层后的光强的吸收层后的光强 I 。 非线性光学概要及光电子器件 在介质中，当光的频率与电偶极子的固在介质中，当光的频率与电偶极子的固 有频率一致时，

6、发生共振现象，因而光能被有频率一致时，发生共振现象，因而光能被 强烈地吸收，在其他情况下表现为透明。强烈地吸收，在其他情况下表现为透明。 一般吸收（一般吸收（a 很大）很大） 选择吸收（选择吸收（ a 很小）很小） 介质对光的吸收：介质对光的吸收： 吸收光谱能反映材料特征。同一物质吸收光谱能反映材料特征。同一物质 的发射光谱与吸收光谱有严格的对应关系。的发射光谱与吸收光谱有严格的对应关系。 具有连续谱的光（白光）通过选择吸具有连续谱的光（白光）通过选择吸 收介质后，用光谱仪可观察不同波长的光收介质后，用光谱仪可观察不同波长的光 被吸收的谱线。被吸收的谱线。 非线性光学概要及光电子器件 正常色散

7、：在透明波段（一般吸收），折正常色散：在透明波段（一般吸收），折 射率随波长增加而减少。射率随波长增加而减少。 反常色散：在不透明波段（选择吸收），反常色散：在不透明波段（选择吸收）， 折射率随波长增加而增加。折射率随波长增加而增加。 42 CB An 介质材料的折射率随波长而改变的现象。介质材料的折射率随波长而改变的现象。 （1）色散与吸收）色散与吸收 正常色散的经验公式（柯西公式）：正常色散的经验公式（柯西公式）： 非线性光学概要及光电子器件 在可见光区域色散是正常的，曲线在可见光区域色散是正常的，曲线PQ 段段 符合柯西公式，若向红外区域延伸，并接近符合柯西公式，若向红外区域延伸，并接近

8、 吸收带时，色散曲线发生偏离（吸收带时，色散曲线发生偏离（R点），过点），过 了吸收带，曲线了吸收带，曲线ST 又恢复正常。又恢复正常。 非线性光学概要及光电子器件 （2）色散与经典电磁理论）色散与经典电磁理论 光波在介质中的吸收和色散行为，可光波在介质中的吸收和色散行为，可 用光场使电偶极子产生振荡的理论来描述。用光场使电偶极子产生振荡的理论来描述。 xEP 0 inx v c N r 1 0 介质材料的电极化率介质材料的电极化率x 决定了折射率决定了折射率 N 的实部的实部 n 和虚部和虚部，从而研究介质的吸从而研究介质的吸 收（收（）和色散（）和色散（n）的问题。）的问题。 入射光频率接

9、近电偶极子的固有频率入射光频率接近电偶极子的固有频率 时吸收很大，为反常色散。时吸收很大，为反常色散。 非线性光学概要及光电子器件 当光束通过光学性质不均匀介质时，除当光束通过光学性质不均匀介质时，除 了按几何光学规律传播的光线外，其它方向了按几何光学规律传播的光线外，其它方向 或多或少也有光线存在。或多或少也有光线存在。 介质中各点所发射的次波是不相干叠介质中各点所发射的次波是不相干叠 加，不会相消为零，从而形成了散射光。加，不会相消为零，从而形成了散射光。 散射粒子线度比波长小得多，散射光强散射粒子线度比波长小得多，散射光强 度与入射光波长的四次方成反比。散射光度与入射光波长的四次方成反比

10、。散射光 中短波占优势，白光散射时带青蓝色。中短波占优势，白光散射时带青蓝色。 非线性光学概要及光电子器件 在研究晶体和液体内的散射时，发现在研究晶体和液体内的散射时，发现 一些微弱的与入射光频率不同的散射光。一些微弱的与入射光频率不同的散射光。 入射光中的一部分能量被介质吸收，入射光中的一部分能量被介质吸收， 用来激励介质中分子的振动或转动的能量，用来激励介质中分子的振动或转动的能量， 从而使散射光的频率比入射光的低。从而使散射光的频率比入射光的低。 若散射光的频率比入射光的高为反斯若散射光的频率比入射光的高为反斯 托克斯托克斯-拉曼散射。这种非弹性散射的可拉曼散射。这种非弹性散射的可 能性

11、比弹性散射小得多。入射与散射光的能性比弹性散射小得多。入射与散射光的 频率差反映介质能级的能量差。频率差反映介质能级的能量差。 非线性光学概要及光电子器件 受激散射：当以强光入射时，可使某些介质的受激散射：当以强光入射时，可使某些介质的 散射过程具有受激发射的性质，散射光突然变强。散射过程具有受激发射的性质，散射光突然变强。 非线性光学概要及光电子器件 光通过由热激发产生声波的介质时，光通过由热激发产生声波的介质时， 散射光中除包含入射光频外，其两侧还有散射光中除包含入射光频外，其两侧还有 频移线（布里渊双重线）。频移线（布里渊双重线）。 晶体中的声波参与了能量的交换，可晶体中的声波参与了能量

12、的交换，可 用被相对运动物体产生频移的多普勒频移用被相对运动物体产生频移的多普勒频移 理论解释。理论解释。 生物组织是高散射物质，用光学方法显生物组织是高散射物质，用光学方法显 现介质内部的物体是生物医学的热门课题。现介质内部的物体是生物医学的热门课题。 蛇形光层析、时间门成像术、电子全息术蛇形光层析、时间门成像术、电子全息术 非线性光学概要及光电子器件 在与强光与被动介质相互作在与强光与被动介质相互作 用时，它的性质如同化学反应中的催化剂，用时，它的性质如同化学反应中的催化剂， 它本身的固有频率并不明显起作用。如光它本身的固有频率并不明显起作用。如光 整流、光学谐波、光混频和光自聚焦等。整流

13、、光学谐波、光混频和光自聚焦等。 在与强光与被动介质相互作在与强光与被动介质相互作 用时，它能以自己的固有频率去影响与它用时，它能以自己的固有频率去影响与它 相互作用的光波，这类相互作用是一些受相互作用的光波，这类相互作用是一些受 激散射过程如受激拉曼散射、受激布里渊激散射过程如受激拉曼散射、受激布里渊 散射等。散射等。 非线性光学概要及光电子器件 激光具有能显示介质非线性所需的高强激光具有能显示介质非线性所需的高强 度辐射场。度辐射场。 当入射到介质中的光波当入射到介质中的光波 E = E0 cost 很很 强时，强光将在晶体中感生电极化强度强时，强光将在晶体中感生电极化强度P tEtEEE

14、P 22 00 2 coscos tEtEE tEtE 2cos 2 1 cos 2 1 )2cos1 ( 2 1 cos 2 00 2 0 2 00 非线性光学概要及光电子器件 电极化强度中除有频率为零的直流成电极化强度中除有频率为零的直流成 分外，还有频率为分外，还有频率为的基频成分以及频率的基频成分以及频率 为为2的倍频成分（二次谐波信号）。的倍频成分（二次谐波信号）。 匹配角匹配角：入射激光和非线性晶体光轴之间的夹角：入射激光和非线性晶体光轴之间的夹角 非线性光学概要及光电子器件 基频激光在非线性晶体中产生倍频极基频激光在非线性晶体中产生倍频极 化波，倍频极化波在一定厚度的晶体中一化波

15、，倍频极化波在一定厚度的晶体中一 边前进，一边产生倍频次波辐射。倍频次边前进，一边产生倍频次波辐射。倍频次 波辐射与倍频极化波相位相差波辐射与倍频极化波相位相差/2，它们它们 叠加的结果形成最后出射的倍频光。叠加的结果形成最后出射的倍频光。 当当满足相位匹配时，许多倍频次波满足相位匹配时，许多倍频次波 辐射就因干涉相长而得到最强的倍频光，辐射就因干涉相长而得到最强的倍频光， 反之，不满足相位匹配时，倍频次波辐射反之，不满足相位匹配时，倍频次波辐射 就因干涉相消而使倍频光为零。就因干涉相消而使倍频光为零。 非线性光学概要及光电子器件 两个频率为两个频率为的光子与某些物质相互的光子与某些物质相互

16、作用，可产生一个频率为作用，可产生一个频率为2的光子。的光子。 二次谐波二次谐波 当一束强光和一束弱光同时进入非线性当一束强光和一束弱光同时进入非线性 介质时，可形成三波混频效应，产生和频与介质时，可形成三波混频效应，产生和频与 差频。差频。 当入射光波为两种不同频率的光当入射光波为两种不同频率的光 E = E01 cost + E02 cost 时，电极化强度时，电极化强度P 的的 二次项为二次项为 非线性光学概要及光电子器件 )coscos2coscos( 2102011 22 021 22 01 ttEEtEtE )cos()cos( ) 12(cos 2 ) 12(cos 2 2121

17、0201 1 2 02 1 2 01 ttEE t E t E 上式各项中，除了有零频项（直流项）上式各项中，除了有零频项（直流项） 和倍频项外，还有和频项以及差频项。这些和倍频项外，还有和频项以及差频项。这些 极化波再辐射，产生相应的零频光、倍频光极化波再辐射，产生相应的零频光、倍频光 和频光、差频光。和频光、差频光。 四波混频将调谐相干光源的频率扩展到四波混频将调谐相干光源的频率扩展到 红外和紫外，可获得入射光波之共轭光波。红外和紫外，可获得入射光波之共轭光波。 非线性光学概要及光电子器件 （3）光学双稳态）光学双稳态 光学双稳是指一个输入光强存在着两个光学双稳是指一个输入光强存在着两个

18、可以相互转换的稳定输出光强状态，其输入可以相互转换的稳定输出光强状态，其输入 输出光强关系类似磁滞回线。输出光强关系类似磁滞回线。 B与与C点是同一输入光强下两个不同的输出光强状态。点是同一输入光强下两个不同的输出光强状态。 非线性光学概要及光电子器件 双稳态是一种反转触发器件。光学双双稳态是一种反转触发器件。光学双 稳态用光脉冲作为触发源以启动并选择两种稳态用光脉冲作为触发源以启动并选择两种 光强状态。光强状态。 在在 F-P 干涉仪的两反射平面的中间放入干涉仪的两反射平面的中间放入 非线性介质，并使非线性介质，并使 F-P 干涉仪中的一部分输干涉仪中的一部分输 出光波反馈到非线性介质上，以

19、改变其折射出光波反馈到非线性介质上，以改变其折射 率从而改变相位和所输出的单色光波的光强。率从而改变相位和所输出的单色光波的光强。 非线性光学概要及光电子器件 )2/(sin1 )( 2 max F T T i ITI)( 0 光数字计算机的核心元件是光学双稳光数字计算机的核心元件是光学双稳 态器件，如光放大器、光开关。态器件，如光放大器、光开关。 非线性光学概要及光电子器件 利用物质吸收光辐射能量后其电学性质利用物质吸收光辐射能量后其电学性质 发生改变来对辐射能流进行检测的器件。发生改变来对辐射能流进行检测的器件。 光电效应的机理是入射的光子被探测光电效应的机理是入射的光子被探测 器吸收导致

20、内部微观体系能量的变化。特器吸收导致内部微观体系能量的变化。特 点是对光辐射的波长响应有选择，且响应点是对光辐射的波长响应有选择，且响应 速度可以很快。速度可以很快。 外光电效应器件必须将光敏材料放在外光电效应器件必须将光敏材料放在 真空容器中，为光电管或真空容器中，为光电管或。 非线性光学概要及光电子器件 外光电效应是光照使光敏材料中的电外光电效应是光照使光敏材料中的电 子逸出表面而成为自由电子，即发射电子。子逸出表面而成为自由电子，即发射电子。 内光电效应是光辐射使半导体材料中产生内光电效应是光辐射使半导体材料中产生 新的载流子而改变其电导率。新的载流子而改变其电导率。 AK e h 非线性光学概要及光电子器件 微通道板微通道板 当光阴极平板受到一幅图象的照射时，当光阴极平板受到一幅图象的照射时， 各点上发射出强弱不同的光电子流，它们通各点上发射出强弱不同的光电子流，它们通 入到相应的毛细管微通道