光波在非线性介质中的传播

1、光波在非线性介质中的传播第1页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一 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，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。+ 原子的电极化：负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态。第2页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一 若物质中的电子在外场作用下产生位移 r，则每个电子产生一个电偶极矩 p。 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。 若单位体积中有N 个电偶极子，N 个偶极矩的矢

2、量和为极化强度P。第3页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一 线性光学：电偶极矩与外界电磁场成线性关系。 当光与物质相互作用时，光场中的电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。电极化强度产生极化场，极化场发出次级辐射。 若E 以作简谐变化，P 及其产生的次级电磁辐射也以同样的作简谐变化，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。第4页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一 当有几种不同频率的光波同时与该物质相互作用时，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。 在线性光学中，物质对光场的响应

3、与光的场强成线性关系。光的独立性原理和叠加原理都成立。 非线性光学：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的关系，产生的电磁振荡是非线性的。第5页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一强光和弱光的划分: 比较 E与 E 的大小 E: 光场的强度 E: 组成物质的分子或原子内部的平均电场强度线性关系强激光，E与 E可比拟, 光场与物质作用的非线性关系明显. 如光学倍频和混频, 光学参量与振荡, 自聚焦, 光学相位共轭, 光的受激散射, 光致透明, 多光子吸收.普通光源的光,第6页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一各向同性介质非线性介质:

4、非线性极化系数比较大的介质两类非线性光学现象: (1) 强光与被动介质相互作用的非线性现象， 如光学整流，光学倍频与混频，光自聚焦等等。(2) 强光与激活介质相互作用的非线性光学现象， 如受激拉曼散射和受激布里渊散射等。- 三次非线性电极化率- 二次非线性电极化率- 线性电极化率第7页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一 被动介质 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，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。 激活介质 强光与激活介质相互作用时，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激散射过程如受

5、激拉曼散射、受激布里渊散射等。第8页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一 激光具有能显示介质非线性所需的高强度辐射场。（1）激光倍频技术 当入射到介质中的光波 E = E0 cost 很强时，强光将在晶体中感生电极化强度P第9页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一 电极化强度中除有频率为零的直流成分外，还有频率为的基频成分以及频率为2的倍频成分（二次谐波信号）。22非线性晶体滤光片光电倍增管激光匹配角：入射激光和非线性晶体光轴之间的夹角第10页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一 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

6、晶体中一边前进，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/2，它们叠加的结果形成最后出射的倍频光。 当满足相位匹配时，许多倍频次波辐射就因干涉相长而得到最强的倍频光，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。相位匹配第11页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一 两个频率为的光子与某些物质相互作用，可产生一个频率为2的光子。二次谐波（2）光混频现象 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，产生和频与差频。 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P 的二次项为第12页，共13页，2022年，5月20日，4点10分，星期一 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。