非线性光学性质、原理及应用

非线性光学性质的原理及应用

nonlinearoptical(NLO)非线性光学研究背景满足条件应用产生原因一：非线性光学研究背景线性光学理论：光与物质的线性相互作用，介质的极化强度与入射光波的场强成正比。于是，表征物质光学性质的许多参数与光强无关的常量。普遍的光学实验证实，单一频率的光通过透明介质后频率不会发生任何变化，不同频率的光之间不会发生相互耦合作用。非线性光学理论：激光出现后的短短的几年内，人们观察到许多用过去的光学理论无法解释的新效应。为了解释这些新效应，产生了非线性光学理论。1961年，Franken发现，当用波长为6942Å大功率红宝石激光器照射石英晶体时，会产生波长为3471Å的弱的光信号。记：光电场为E（r，ω）；电极化强度为P（r，ω）1：普通光照射时，E（r，ω）和P（r，ω）成正比线性关系

这里，χ(1)线性极化率二：非线性光学产生的原因2：若入射光是激光，光强比普通光高几个数量级极化强度为光场的幂级数χ(2)是二阶非线性极化率由于非线性相的存在，破坏了光电场与电极化强度间线性关系。非线性电极化率要比线性极化率小几个数量级，普通光照射时，产生的非线性极化很小，Pnl很小，不影响线性关系。激光是极强的相干光,高度比普遍光高几十亿倍,场强高次方项对介质极化的影响不能忽略。普通光源会不会产生非极化？几种非线性光学现象

理想的供电系统，电流和电压都是正弦波。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。

在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当流过的负荷与所加电压不呈线性关系时，就形成非正弦电流。

任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波……可能直到第三十次谐波组成。非线性光学晶体光学二次谐波的产生

ω1

ω2=

2ω1线性光学与非线性光学的主要区别线性光学非线性光学入射光强与透射光强之间一般成线性关系入射光强与透射光强之间成非线性关系多束光在介质中交叉传播，不发生能量交换，也不改变各自的频率多束光在介质中交叉传播，可能发生能量交换光在介质中传播，通过干涉、衍射、折射改变光能量的空间分布和传播方向，不改变光的频率一定频率的光入射介质，可以通过与介质相互作用各自的频率或产生新频率，光作用于介质，不改变介质的物理量，介质的物理量与光场强度无关光与介质相互作用，介质的物理量如：极化率、吸收系数、折射率与光场强度有关，成一定的函数关系三：非线性光学材料需具备哪些条件呢？1：较大的非线性极化率2：较大的激光损伤阈值（LDT-laserdamagethreshold），能承受较大的激光功率和能量3：有位相匹配能力4：优良的机械化学稳定性5：宽能带间隙（largeenergybandgap）二次谐波转化效率ƞ：

Pi-波长ƛi为光束的功率；deff-有效倍频系数；ni-特定波长ƛi的折射率；L-光程；A-激光基频波的横截面积；增大deff：deff/ƛ2—有效非线性光学系数，其值越高，转化效率ƞ越大。增大Pi：功率增大，转化率提高，但要能承受较大功率，材料需要较大的损伤阈值（LDT）。二次谐波:（second-harmonicgeneration-SHG）

较宽的能隙能获得较高的损伤阈值（LDT）；同时宽能隙能获得较短的二次谐波波长，波长越短，能量越高，从而提高转化率。宽能带间隙（largeenergybandgap）四：非线性光学性质的应用（1）

——界面性质过去用电子束光谱测定界面性质，要求有超高真空环境，而且对于“buried”interfaces无能为力，光源也无法穿过高压介质。一般情况，各向同性或中心对称的介质不能产生和频和倍频效应，但有两种情况能破坏这种中心对称性，从而产生SFG或SHG信号响应：（1）

两种具有中心对称性介质的界面处；（2）被研究的分子吸附在具有中心对称性的介质表面。分子吸附在介质表面时，产生SFG（和频）信号，当非线性分子离开界面时，SFG信号会消失。Ai和Mi分别指红外和拉曼的转移矩阵（在频率ωi和谱线宽Γi时特定的振动模式）N-吸附物质在界面的吸附密度二阶非线性响应值与界面覆盖程度成正比。SFG信号强度与非线性极化率的平方成正比。

红外和拉曼技术不能区分溶液内部和界面上的分子，难以分析物质的表面性质，而和频可以做到。在金属氧化物氧化锆表面水和甲醇的竞争吸附，溶液和固体都是各向同性材料，将水与甲醇配成一定比例，二者吸附在氧化锆表面，用红外可见激光照射。光谱图上的峰值与甲醇的的表面浓度有关，含量不同，SFG响应值也不同。峰值振幅的平方与表面浓度成正比，因此可以反应甲醇界面浓度与总体浓度的关系。实例：四：非线性光学性质的应用（2）

——光存储材料光折变效应：非均匀光照射下，电光材料中的电子或空穴重新分布，引起材料折射率变化。破坏了相位匹配条件，称为“光损伤”。（1）它可以通过均匀光照和加热晶体的办法得到恢复，这个特性正好可用于信息存储。（2）光折变效应与光强无关，很弱的激光束也能出现这种非线性效应，折光率最大变化处不在光强的最大处，为弱光作用下的非线性光学开辟了新天地。参考文献[1]钱士雄,王恭明.非线性光学-原理与进展.复旦大学出版社.2001.10[2]石顺祥,陈国夫，赵卫等.非线性光学.西安电子科技大学出.2012.10[3]李淳飞.非线性光学.电子工业出版社.2009.08.[4]ZheshuaiLin,XingxingJiang1,LeiKang1,etal.First-principlesmaterialsapplicationsanddesignofnonlinearopticalcrystals.JournalofPhysicsD:AppliedPhysics.