非线性光学及其应用

1、主讲人：主讲人：非线性光学晶体最主要的用途就是对激非线性光学晶体最主要的用途就是对激光的倍频作用，产生二次谐波。光的倍频作用，产生二次谐波。1.什么是非线性光学？什么是非线性光学？2.非线性光学历史回顾非线性光学历史回顾.3.非线性光学的应用非线性光学的应用.什么是非线性光学？什么是非线性光学？非线性光学是现代光学的一个分支，研究非线性光学是现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。及其应用。激光问世之前，基本上是研究弱光束在介激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率质中的传播，确定介质光学性质的折

2、射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理。加时遵守线性叠加原理。历史回顾历史回顾非线性光学的早期工作非线性光学的早期工作 1906年年泡克耳斯效应泡克耳斯效应 1929年年克尔效应克尔效应 激光问世激光问世首次发现光学首次发现光学二次谐波二次谐波 第一个时期是第一个时期是19611965年年 光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸收、光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸收、光束自聚焦光束自聚焦 以及受激光散射等等以及受激光散射等等 第

3、二个时期是第二个时期是19651969年年 非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等等非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等等 第三个时期是第三个时期是70年代至今年代至今 由以固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、由以固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效应的研究；由二阶非线性效应为主的研究发固体以至液晶的非线性效应的研究；由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至更高阶效应的研究；由一般非线性效应发展到共展到三阶、五阶以至更高阶效应的研究；由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究；就时间范畴而言，则由纳秒

4、进入皮秒领域振非线性效应的研究；就时间范畴而言，则由纳秒进入皮秒领域 1893年由德国物理学家年由德国物理学家f.c.a.泡克耳斯发现。泡克耳斯发现。一些晶体在一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质其各向异性性质，产生附加的双折射效应。例如把磷酸二，产生附加的双折射效应。例如把磷酸二氢钾晶体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构氢钾晶体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构成能产生电场的电容器，晶体的光轴与电容器极板的法线成能产生电场的电容器，晶体的光轴与电容器极板的法线一致，入射光沿晶体光轴入射。一

5、致，入射光沿晶体光轴入射。不加电场时，入射光在晶不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过体内不发生双折射，光不能通过p2。加电场后，晶体感。加电场后，晶体感生双折射，就有光通过生双折射，就有光通过p2。泡克耳斯效应与所加电场强。泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效度的一次方成正比。大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用于光闸、激光器的应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用于光闸、激光器的q开关和光波调制等。开关和光波调制等。 与电场二次方成正比的电感应双折射现象。与电场二次方成正比的电感应双折射现象。放在电场中的物质，放在

6、电场中的物质，由于其分子受到电力由于其分子受到电力的作用而发生取向的作用而发生取向(偏转偏转)，呈现各向异性，呈现各向异性，结果产生双折射，即沿两个不同方向物质结果产生双折射，即沿两个不同方向物质对光的折射能力有所不同。对光的折射能力有所不同。 这一现象是这一现象是1875年年j.克尔发现的。后人称它为克尔电克尔发现的。后人称它为克尔电光效应，或简称克尔效应。光效应，或简称克尔效应。谐波产生的根本原因谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致是由于非线性负载所致。当。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是就形

7、成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(mfourier)分析原理证明，任何重复的波形都分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以i区分为区分为偶次与奇次性，第偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，次编号的为奇次谐波，而而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为等为偶次谐波，如基波为50hz

8、时，时，2次谐波为次谐波为loohz，3次谐波则是次谐波则是150hz。 非线性光学的应用非线性光学的应用1.光学变频效应 不同频率的光波之间进行能量变换,引起频率转换的各种混频现象叫做光学变频效应. 光学变频效应包括由介质的二阶非线性电极化所引起的光学倍频、 光学和频与差频效应、 光学参量放大与振荡效应,还包括由介质的三阶非线性电极化所引起的四波混频效应.非线性光学变频单晶材料kdp 2.光的受激散射效应 光通过介质时都有一部分能量偏离预定的方向而向空间其光通过介质时都有一部分能量偏离预定的方向而向空间其他方向弥散开来他方向弥散开来,这种现象叫光的散射这种现象叫光的散射.激光出现以后激光出现

9、以后,以单以单色高亮度的激光作为入射光束色高亮度的激光作为入射光束,不但使光的散射现象更易不但使光的散射现象更易于观测和研究于观测和研究,而且各种散射过程由自发散射转变为受激而且各种散射过程由自发散射转变为受激散射散射,散射光是具有高度方向性的相干光散射光是具有高度方向性的相干光,其强度也会有几其强度也会有几个数量级的增加个数量级的增加. 我们把这类现象称为光的受激散射效应我们把这类现象称为光的受激散射效应.3.光学相位共轭效应3.1 用于激光器光束质量的改善用于激光器光束质量的改善在普通激光共振腔情况下在普通激光共振腔情况下 ,增益介质的不均增益介质的不均匀性、匀性、 热畸变以及光学元件所引

10、起的相位与极化热畸变以及光学元件所引起的相位与极化的像差是限制激光器输出光束定向性和亮度水平的像差是限制激光器输出光束定向性和亮度水平的主要因素的主要因素.利用具有产生相位共轭波能力的反利用具有产生相位共轭波能力的反射体代替普通反射镜组成激光共振腔射体代替普通反射镜组成激光共振腔 ,具有自动具有自动消除增益介质所产生的动态光程畸变影响的能消除增益介质所产生的动态光程畸变影响的能力力 ,从而保证了在腔的另一输出端获得波面规则从而保证了在腔的另一输出端获得波面规则的高亮度激光输出的高亮度激光输出.3.2 用于实现精密瞄准打靶用于实现精密瞄准打靶一台大功率激光器所输出的光能足以引爆核聚变的弹丸或摧毁

11、军事上一台大功率激光器所输出的光能足以引爆核聚变的弹丸或摧毁军事上的飞行物的飞行物 ,但由于光路介质和光学元件不均匀性以及调整光路技术上但由于光路介质和光学元件不均匀性以及调整光路技术上的原因的原因 ,不可避免地使光束变形、不可避免地使光束变形、 发散发散 ,无法达到引爆或摧毁的目的无法达到引爆或摧毁的目的光学位相共轭技术提供光学位相共轭技术提供了一个解决这方面问题的思路了一个解决这方面问题的思路.图中利用相位共轭波进图中利用相位共轭波进远距离激光打靶的一种原理方案图远距离激光打靶的一种原理方案图. 先用一发散角较大先用一发散角较大低功率激光器发出寻的光束照射靶目标低功率激光器发出寻的光束照射

12、靶目标 ,由靶面发射的由靶面发射的部分光波经过扰动介质后返回发射端部分光波经过扰动介质后返回发射端 ,经小信号激光放大器后入射到相位共经小信号激光放大器后入射到相位共轭波反射体轭波反射体 ,所产生的反向相位共轭所产生的反向相位共轭波经激光功率波经激光功率(能量能量)放大器后放大器后 ,穿过扰穿过扰动介质完全准确地击中靶面被照明的动介质完全准确地击中靶面被照明的部分部分.美国国家点火装置实验室的俯视图美国国家点火装置实验室的俯视图工程技术人员调整靶位工程技术人员调整靶位 激光激光“打靶打靶”神光神光ii靶室靶室神光神光ii自动准系统自动准系统神光神光ii能库能库神光神光ii大厅大厅4.光学双稳态

13、效应在电子学中在电子学中 ,双稳态是一个单元电路双稳态是一个单元电路 ,它对于它对于同一个输入电信号具有高低不同的两个电阻值同一个输入电信号具有高低不同的两个电阻值;在光子学中在光子学中 ,双稳态则是一个光学元件双稳态则是一个光学元件 ,它对于同它对于同一个入射光强具有高低不同的两个透射率一个入射光强具有高低不同的两个透射率 ,称为称为光学双稳态光学双稳态.它对于理解光信息的存储、它对于理解光信息的存储、 运算和逻运算和逻辑处理等有重要意义辑处理等有重要意义.5.光学孤子光波、光波、 声波或水波都有一个共同的特点声波或水波都有一个共同的特点: 传传播越远播越远 ,扩展越大扩展越大.如果波在传播

14、时保持稳定的形如果波在传播时保持稳定的形状而不扩展状而不扩展 ,这样的波就称为孤子波这样的波就称为孤子波 ( solitarywave) .由于这样的波在相互作用时具有粒子的特由于这样的波在相互作用时具有粒子的特性性 ,故又称为孤子故又称为孤子(soliton) .在光学领域里在光学领域里 ,由于色由于色散散 ,使得超短脉冲会在时域自然加长使得超短脉冲会在时域自然加长;由于衍射由于衍射 ,超窄光束会在空域里自然拓宽超窄光束会在空域里自然拓宽.而光学孤子能以而光学孤子能以超窄光束定形传播超窄光束定形传播 ,如同一根细针如同一根细针 ,在空间永不扩在空间永不扩展展.利用光学孤子理论制成的光纤孤子通

15、信系统利用光学孤子理论制成的光纤孤子通信系统具有实现超长距离、具有实现超长距离、 超高码率的全光通信能力超高码率的全光通信能力 ,在在光学通信中具有较好的应用前景光学通信中具有较好的应用前景.5.1光纤孤子通信 光纤孤子通信是光学孤子理论的重要应用课题之一光纤孤子通信是光学孤子理论的重要应用课题之一. 当前采用的光纤通信系统当前采用的光纤通信系统 ,其主要部分其主要部分光纤是以线性光光纤是以线性光学原理为理论基础的线性系统学原理为理论基础的线性系统.光纤的损耗和色散是决定光纤的损耗和色散是决定系统性能的两个重要因素系统性能的两个重要因素.色散使光脉冲沿光纤展宽色散使光脉冲沿光纤展宽 ,传输传输

16、越远展宽越大越远展宽越大 ,最后造成脉冲间的严重重叠而产生码间干最后造成脉冲间的严重重叠而产生码间干扰扰 ,增加了误码率增加了误码率.另一方面另一方面 ,由于光纤通信系统必须经过由于光纤通信系统必须经过传统中继过程传统中继过程 ,其光其光 电、电、 电电 光转换限制了信息传输光转换限制了信息传输.而在光纤孤子系统中光纤线性通信系统的两大缺陷均已不而在光纤孤子系统中光纤线性通信系统的两大缺陷均已不存在存在 ,光纤中的色散效应光纤中的色散效应 ,被光纤中的非线性效应所平衡被光纤中的非线性效应所平衡 ,形成光学孤脉冲的稳定传输形成光学孤脉冲的稳定传输 ,色散成为这种稳定传输的必色散成为这种稳定传输的

17、必要条件之一要条件之一.同时传统的中继站所进行的光的检测和再生同时传统的中继站所进行的光的检测和再生过程被扬弃过程被扬弃 ,代之以对光脉冲进行直接放大的代之以对光脉冲进行直接放大的 “全光全光” 过过程程.传统光纤工作传统光纤工作全光光纤全光光纤 非线性光学具有极大的科学技术价值非线性光学具有极大的科学技术价值. 人们在研究各人们在研究各种非线性光学现象的基础上种非线性光学现象的基础上 ,已提供和发展了许多实际可已提供和发展了许多实际可用的新方法和新技术用的新方法和新技术 ,并为今后一些长远的技术应用打下并为今后一些长远的技术应用打下了物理基础了物理基础. 非线性光学对其他学科也有很大影响非线性光学对其他学科也有很大影响 ,它促进它促进了等离子体物理、了等离子体物理、 声学和无线电物理学中对非线性波现声学和无线电物理学中对非线性波现象的研究象的研究 ,最近又利用非线性光学效应研究固体表面最近又利用非线性光学效应研究固体表面 ,把非把非线性光学和表面物理结合了起来线性光学和表面物理结合了起来.非线性光学与非线性光学与 凝聚态物凝聚态物理、理、 有机化学、有机化学、 高分子材料以及生物物理学等学科相互高