《非線性光學(xué)a》PPT課件

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1、非線性光學(xué)全薇第一章非線性光學(xué)效應(yīng)概述2.由于激光器的工作原理與普通光源的發(fā)光機(jī)理不同，所以能從根本上突破以往各種普通光源的種種局限性，賦予古老的光學(xué)以新的強(qiáng)大生命力，從而引起各種光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命性進(jìn)展，并極大地促進(jìn)了各種基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。1、激光技術(shù)從1960年誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展時(shí)間。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類對(duì)光頻相干電磁輻射的產(chǎn)生手段、控制能力及其與物質(zhì)相互作用規(guī)律的認(rèn)識(shí)，均達(dá)到了一個(gè)新的階段。3.在物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，出現(xiàn)了一門嶄新的學(xué)科——非線性光學(xué)的出現(xiàn)與發(fā)展?！?.1非線性光學(xué)

2、的學(xué)科定義和發(fā)展一、非線性光學(xué)的學(xué)科定義1、線性光學(xué)：普通光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用，物質(zhì)與光場(chǎng)呈線性效應(yīng)關(guān)系（1）光與物質(zhì)相互作用的基本理論普通光入射到介質(zhì)中時(shí)，電極化強(qiáng)度矢量與光場(chǎng)成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系：?jiǎn)我活l率的光入射到非線性介質(zhì)中，其頻率不發(fā)生任何變化，不同頻率的光同時(shí)入射時(shí)，彼此不發(fā)生耦合作用，也不會(huì)產(chǎn)生任何新的頻率，麥?zhǔn)戏匠探M是線性微分方程組，只含的一次方項(xiàng)。（2）光與物質(zhì)相互作用的基本規(guī)律折射、散射、吸收等與光場(chǎng)呈線性關(guān)系（3）光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象2、非線性光學(xué)：強(qiáng)光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用，物質(zhì)與光場(chǎng)

3、呈非線性效應(yīng)關(guān)系（1）強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的基本理論強(qiáng)光入射到介質(zhì)中時(shí)，電極化強(qiáng)度矢量與光場(chǎng)之間不再成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是成更一般的冪級(jí)數(shù)關(guān)系：?jiǎn)我活l率的強(qiáng)光入射到特定介質(zhì)中，可產(chǎn)生倍頻輻射，不同頻率的光同時(shí)入射時(shí)，可通過(guò)介質(zhì)彼此發(fā)生耦合作用，并在新頻率處產(chǎn)生混頻輻射，麥?zhǔn)戏匠探M是非線性微分方程組，包含的高次方項(xiàng)。（2）強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的基本規(guī)律二次、三次諧波；光參量放大與振蕩。自聚焦。受激散射，飽和吸收。（3）光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象3、非線性光學(xué)學(xué)科定義在強(qiáng)光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用時(shí)，出現(xiàn)了非線性電極

4、化效應(yīng)和它引起的一些新的光學(xué)現(xiàn)象和光學(xué)效應(yīng)。如，倍頻、和頻、差頻、光放大，受激散射、多光子吸收、自聚焦、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)等，這些統(tǒng)稱為非線性光學(xué)效應(yīng)，研究這些效應(yīng)的學(xué)科稱為非線性光學(xué)。二、非線性光學(xué)的發(fā)展1、1961年，弗蘭肯（Franken）等人，將紅寶石激光器發(fā)出的約為3kW的694.3nm光脈沖聚焦到石英晶體上，觀察到了紅寶石激光的347.1nm二次諧波輻射。2、同年凱澤（Kaiser）和加勒特（Garrett）觀察到激光輻射的雙光子吸收，這是一種三階非線性光學(xué)效應(yīng)。3、1962年，布盧姆伯根等人

5、對(duì)光學(xué)混頻進(jìn)行了開創(chuàng)性的理論工作。自此以后，許多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可非線性效應(yīng)能引起不同頻率的光場(chǎng)之間能量的交換，而呈現(xiàn)多種新的光學(xué)現(xiàn)象和新的光學(xué)效應(yīng)。二十世紀(jì)六十年代主要進(jìn)行了二次諧波產(chǎn)生、和頻、差頻、雙光子吸收、受激喇曼散射、受激布里淵散射、光參量振蕩、自聚焦、光子回波、自感應(yīng)透明等非線性光學(xué)現(xiàn)象的觀察和研究；非線性光學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段二十世紀(jì)七十年代人們更深入地研究了上述現(xiàn)象，并進(jìn)行了自旋反轉(zhuǎn)受激喇曼散射、光學(xué)懸浮、消多普勒加寬、雙光子吸收光譜技術(shù)、相干反斯托克斯喇曼光譜學(xué)、非線性光學(xué)相位共軛技術(shù)

6、、光學(xué)雙穩(wěn)效應(yīng)等非線性光學(xué)現(xiàn)象的研究；二十世紀(jì)八十年代，倍受人們注意的非線性光學(xué)新研究課題是光學(xué)分叉和混沌、光的壓縮態(tài)、多光子原子電離現(xiàn)象等。目前非線性光學(xué)逐漸由基礎(chǔ)研究階段進(jìn)入應(yīng)用基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究階段?！?.2強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用的主要特性1、激光的特點(diǎn)激光是受激輻射，普通光源是自發(fā)輻射，這是它們的本質(zhì)區(qū)別，因而激光具有普通光源所沒(méi)有的特點(diǎn)：（1）高的定向性（發(fā)散角小）（2）高的單色性（高相干性）（3）高亮度（高的光子簡(jiǎn)并度）2、強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用的主要特性具有能動(dòng)性、有效性；具有共振性和共

7、振選擇性；高光譜分辨率；高時(shí)間分辨率；高的空間分辨率第二章非線性電極化效應(yīng)理論基礎(chǔ)本章的主要內(nèi)容1、強(qiáng)光作用下，產(chǎn)生非線性電極化效應(yīng)的基本圖像2、描述不同頻率強(qiáng)光波在介質(zhì)內(nèi)相互作用的基本方程：耦合波方程§2.1光學(xué)介質(zhì)的非線性電極化效應(yīng)1、電極化強(qiáng)度矢量P當(dāng)介質(zhì)受到電場(chǎng)作用時(shí)，組成介質(zhì)的原子或分子、離子內(nèi)的束縛電子與電子荷之間的距離（相對(duì)平衡位置）發(fā)生了變化，產(chǎn)生感應(yīng)電偶極矩，介質(zhì)單位體積內(nèi)的感應(yīng)電偶極矩之和介質(zhì)的電極化強(qiáng)度矢量P。一、線性極化2、線性極化在弱光場(chǎng)作用下，介質(zhì)的電極化強(qiáng)度矢量P與外

8、界電場(chǎng)強(qiáng)度E成簡(jiǎn)單線性關(guān)系：（2.1-1）式中，稱為介質(zhì)的電極化系數(shù)，線性電極化率。真空介電系數(shù)。P以與入射光E相同的頻率隨時(shí)間變化，從而根據(jù)勞倫茲理論，輻射出頻率為的次電磁波，單色光入射時(shí)頻率不會(huì)發(fā)生變化。（1）當(dāng)一束單色簡(jiǎn)諧光波入射到介質(zhì)中時(shí)單色簡(jiǎn)諧波：介質(zhì)內(nèi)的電極化強(qiáng)度矢量：勞倫茲理論：電耦極矩產(chǎn)生加速度，向外輻射次波。由麥?zhǔn)戏匠套兓碾妶?chǎng)周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，使得向外輻射電磁波。（2）幾種不同頻率的光同時(shí)入射到介質(zhì)中時(shí)，彼此間不發(fā)生耦合作用，也不會(huì)產(chǎn)生新的頻率，并滿足疊加原理