光波在非线性介质中的传播分析课件

2.6光波在非线性介质中的传播11/26/20231共17页当光照射物质时，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。11/26/2023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个偶极矩的矢量和为极化强度P。11/26/2023

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ω作简谐变化，P及其产生的次级电磁辐射也以同样的ω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。11/26/2023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。11/26/2023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,11/26/2023各向同性介质非线性介质: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11/26/2023

被动介质强光与该介质相互作用时，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。

激活介质强光与该介质相互作用时，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激拉曼散射、受激布里渊散射等。11/26/2023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=E0cosωt很强时，强光将在晶体中感生电极化强度P11/26/2023电极化强度中除有频率为零的直流成分外，还有频率为ω的基频成分以及频率为2ω的倍频成分（二次谐波信号）。2ωω2ωω非线性晶体滤光片光电倍增管激光θ匹配角θ：入射激光和非线性晶体光轴之间的夹角11/26/2023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π/2，它们叠加的结果形成最后出射的倍频光。当θ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。相位匹配两个频率为ω的光子与某些物质相互作用，可产生一个频率为2ω的光子。二次谐波11/26/2023（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=E01cosωt+E02cosωt时，电极化强度P的二次项为上式各项中，除了有零频项（直流项）和倍频项外，还有和频项以及差频项。这些极化波再辐射，产生相应的零频光、倍频光和频光、差频光。四波混频将调谐相干光源的频率扩展到红外和紫外，可获得入射光波之共轭光波。11/26/2023如果说:线性化使物理学的规律看起来显得很优美，那么:非线性却使物理学充满了使人兴奋的内容11/26/20231光学非线性极化非线性光学理论认为振子是非简谐的，介质是由非简谐振子的集合组成：光电卓越班补充知识:11/26/20232.光学非线性极化介质总的极化强度为：其中的二阶非线性极化的表达式：三阶非线性极化的表达式：11/26/20233.光学非线性极化率[]（二阶非线性光学极化率）为三阶张量，一般来说，应该有27个分量，但由于作用于介质的两个光电场先后次序对极化强度P(2)无影响，所以[]的后两个下标具有对称性，因而可以将[]表为矩阵形式（），式中i=1,2,3,n=1,2…6,从而只有18个分量11/26/2023非线性阶数光学非线性效应nn次谐波产生，nthharmonicgeneration(NHG)2光学整流,Rectification2和频与差频发生,Sum-anddifference-frequencygeneration2拉曼散射,Ramanscattering2布里渊散射,Brillouinscatteringnn-光子吸收(多光子吸收),n-photonabsorption2，3强度相关折射(非线性折射),Intensity-dependentrefraction2光学参量振荡,Opticalparametricoscillation(OPO)3相