非線性光學 第四章

1、非線性光學 第四章第1頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四1 三階非線性光學效應概述 第一，是三階微擾，一般要比二階效應更弱，在實際中普遍采用共振效應來提高三階效應。 1.三階的特點：第二，是四波參與的過程，三階效應比二階效應更加豐富。 第三，可以發(fā)生在只有一個入射光電場頻率的情況，產(chǎn)生的效應也只對應于該入射光電場的頻率，這種效應可以使介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，即所謂自聚焦，也可以產(chǎn)生一個具有獨特相位特性的新的出射光，這就是簡并四波混頻。 第四，原則上三階非線性光學效應可以在所有介質(zhì)中觀測到。第2頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四2 三倍頻效應要求滿足能量

2、和動量守恒。產(chǎn)生方法：1、晶體中：方解石是唯一能實現(xiàn)三次諧波相位匹配的晶體。2、金屬蒸汽中：常采用雙光子共振、加入緩沖氣體第3頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四3 簡并四波混頻（DFWM） 應用：1、將可調(diào)諧相干光源的頻率擴展到紅外和紫外。2、簡并四波混頻用于自適應光學中的波前再現(xiàn)。3、共振四波混頻是一種有效的研究材料的光譜分析工具。第4頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四簡并四波混頻（DFWM）第5頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四第6頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四一、定義：復振幅互為共軛的兩列光波。

3、如：沿z方向傳播的兩列波：二、特點：1 背向互為相位共軛的兩列波之間互為時間的反演4 相位共軛波第7頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四2、復振幅的相位空間分布規(guī)律背向相位共軛波：傳播方向相反、相位分布相同前向相位共軛波：傳播方向相同、相位分布呈鏡像對稱第8頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四三、相位共軛波的應用：第9頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四四、光學混頻實現(xiàn)相位共軛波的方法：三波混頻：主要產(chǎn)生前向共軛波四波混頻：可以產(chǎn)生前向和背向共軛波* 前向受相位匹配限制，后向則不受。第10頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34

4、分，星期四典型實驗裝置：第11頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四PCM的畸變補償：第12頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四產(chǎn)生條件：5 受激拉曼散射（SRS）第13頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四第14頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四 1、高的輸出強度：可達到與入射光強相同量級，甚至將入射光能量幾乎耗盡2、好的方向性：前向和后向輸出發(fā)散角可優(yōu)于入射光，因此可以用于光束整形。 3、高階散射。 4、相位共軛特性：可用于研究畸變補償。 特點第15頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四7 相干

5、反斯托克斯光（CARS）產(chǎn)生條件 1、強的抗熒光干擾性：信號光頻率高，信噪比高。2、好的方向性：滿足相位匹配的的方向產(chǎn)生信號光。 3、共振效應：利用共振增強。 4、偏振特性：出射光的偏振性與入射光及介質(zhì)的對稱性密切相關，因此 抗干擾能力強。 特點第16頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四第17頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四8 雙光子吸收摻銪氟化鈣晶體第18頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四產(chǎn)生條件：第19頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四9 光克爾效應及相關效應各向同性介質(zhì)，設頻率為 的光電場的偏振方向為

6、y，第20頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四物理機制：第21頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四第22頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四與光克爾效應相關的幾種重要現(xiàn)象1）自聚焦2）自相位調(diào)制及頻譜展寬研究領域：1）Z 掃描技術(shù)2）光學雙穩(wěn)3）光學孤子及通訊第23頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四激光束的自聚焦現(xiàn)象（SF）光束與介質(zhì)的三階非線性作用，介質(zhì)的折射率將發(fā)生改變：時，中心折射率大，兩邊小凸透鏡自聚焦時，中心折射率小，兩邊大凹透鏡自散焦 使光強趨于均勻分布光模糊效應自衍射過程與光束截面半徑的平方成反比。

7、過程 當 時，發(fā)生自聚焦現(xiàn)象。當兩者作用大個相等時，二者的作用互相抵消，光柬截面在繼續(xù)向前傳 播時將保持不變光自陷。條件第24頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四1.分析幾種自聚焦現(xiàn)象：穩(wěn)態(tài)、準穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)（1） 激光束是連續(xù)的或緩變的長脈沖時，可用穩(wěn)態(tài)理論處理：其中， 是保持光束截面不變時的光功率。平面波：弱會聚波：強會聚波：發(fā)散波：第25頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四（2） 激光束是短脈沖時，介質(zhì)響應時間遠小于光脈沖時間，考慮振幅隨時間的一階影響準穩(wěn)態(tài)自聚焦。第26頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四（3） 激光束的脈寬比光感

8、生折射率改變的響應時間短或二者相當時，在自聚焦過程中 隨時間變化顯得很重要瞬態(tài)自聚焦。 此時必須考慮 的時間積累以及由此引起的光脈沖前沿部分對后沿部分的影響。第27頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四2、Z-掃描技術(shù)特點：光路簡單、測量靈敏度高； 可同時測量非線性折射率和非線性吸收系數(shù)，即非線性極化率的實部和虛部； 如果在Z-掃描法中引入時間延遲還可分別研究具有不同時間響應的非線性光學 效應。 可用于檢測激光束的質(zhì)量、測量折射率變化和電光系數(shù)并用于研究光折變非線 性效應及高斯光束的傳輸特性等。第28頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四 S 是孔闌線性透過

9、率，ra,a表示在線性范圍內(nèi)光闌半徑和光束在孔闌處的光斑半徑。 第29頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四I(t)是z=0處光軸上的瞬時光強，束腰半徑第30頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四 反飽和吸收、自散焦作用第31頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四光學雙穩(wěn)現(xiàn)象第32頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四第33頁，共35頁，2022年，5月20日，3點34分，星期四參量過程與非參量過程參量過程：對于一個非線性光學過程，如果在過程前后非線性介質(zhì)的內(nèi)部 狀態(tài)保持不變。特點：要求滿足相位匹配條件。非參量過程：對于一個非線性光學過程，如