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1、2022/11/27,共17页,1,2.6 光波在非线性介质中的传播,2022/11/27,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。,2022/11/27,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。,2022/11
2、/27,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。,2022/11/27,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
3、位移与外电场成线性的关系，产生的电磁振荡是非线性的。,2022/11/27,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,2022/11/27,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
4、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,2022/11/27,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。,2022/11/27,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,20
5、22/11/27,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）。,匹配角：入射激光和非线性晶体光轴之间的夹角,2022/11/27,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/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,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,2022/11/27,（2
6、）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,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。,2022/11/27,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,2022/11/27,1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:,2022/11/27,2.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：,2022/11/27,3.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=1,26,从而只有18个分量,2022/11/27,4.光学非线性效应及其应用,
