光波在非線性介質(zhì)中的傳播分析課件

2.6光波在非線性介質(zhì)中的傳播11/26/20231共17頁當光照射物質(zhì)時，光波電磁場將對物質(zhì)中的電子產(chǎn)生作用，在外電場的作用下，介質(zhì)原子成為電偶極子。電偶極子將隨光波的電磁場的變化產(chǎn)生振蕩。++－原子的電極化：負電荷中心與正電荷中心產(chǎn)生偏離的狀態(tài)。11/26/2023若物質(zhì)中的電子在外場作用下產(chǎn)生位移r，則每個電子產(chǎn)生一個電偶極矩p。若光波隨時間作正弦變化，即它的電場強度沿兩個相反方向交替變化，電偶極子的負電荷中心將繞正電荷中心作周期性振蕩。表征電偶極子的物理量是電偶極矩。若單位體積中有N個電偶極子，N個偶極矩的矢量和為極化強度P。11/26/2023

線性光學(xué)：電偶極矩與外界電磁場成線性關(guān)系。當光與物質(zhì)相互作用時，光場中的電場強度使介質(zhì)原子因感應(yīng)而產(chǎn)生電偶極矩，電偶極矩疊加起來形成電極化強度。電極化強度產(chǎn)生極化場，極化場發(fā)出次級輻射。若E以ω作簡諧變化，P及其產(chǎn)生的次級電磁輻射也以同樣的ω作簡諧變化，因兩頻率相同，次級輻射與入射光波疊加的結(jié)果使光波的單色性不變。11/26/2023當有幾種不同頻率的光波同時與該物質(zhì)相互作用時，各種頻率的光都線性獨立地反射、折射和散射，不會發(fā)生新的頻率。在線性光學(xué)中，物質(zhì)對光場的響應(yīng)與光的場強成線性關(guān)系。光的獨立性原理和疊加原理都成立。

非線性光學(xué)：外界作用的光場較強，電偶極子的振蕩不再具有位移與外電場成線性的關(guān)系，產(chǎn)生的電磁振蕩是非線性的。11/26/2023強光和弱光的劃分:比較E與E’的大小E:光場的強度E’:組成物質(zhì)的分子或原子內(nèi)部的平均電場強度線性關(guān)系強激光，E與E’可比擬,光場與物質(zhì)作用的非線性關(guān)系明顯.如光學(xué)倍頻和混頻,光學(xué)參量與振蕩,自聚焦,光學(xué)相位共軛,光的受激散射,光致透明,多光子吸收...普通光源的光,11/26/2023各向同性介質(zhì)非線性介質(zhì):非線性極化系數(shù)比較大的介質(zhì)兩類非線性光學(xué)現(xiàn)象:(1)強光與被動介質(zhì)相互作用的非線性現(xiàn)象，如光學(xué)整流，光學(xué)倍頻與混頻，光自聚焦等等。(2)強光與激活介質(zhì)相互作用的非線性光學(xué)現(xiàn)象，如受激拉曼散射和受激布里淵散射等。---三次非線性電極化率---二次非線性電極化率---線性電極化率11/26/2023

被動介質(zhì)強光與該介質(zhì)相互作用時，它的性質(zhì)如同化學(xué)反應(yīng)中的催化劑，它本身的固有頻率并不明顯起作用。如光整流、光學(xué)諧波、光混頻和光自聚焦等。

激活介質(zhì)強光與該介質(zhì)相互作用時，它能以自己的固有頻率去影響與它相互作用的光波，這類相互作用是一些受激散射過程如受激拉曼散射、受激布里淵散射等。11/26/2023激光具有能顯示介質(zhì)非線性所需的高強度輻射場。（1）激光倍頻技術(shù)當入射到介質(zhì)中的光波E=E0cosωt很強時，強光將在晶體中感生電極化強度P11/26/2023電極化強度中除有頻率為零的直流成分外，還有頻率為ω的基頻成分以及頻率為2ω的倍頻成分（二次諧波信號）。2ωω2ωω非線性晶體濾光片光電倍增管激光θ匹配角θ：入射激光和非線性晶體光軸之間的夾角11/26/2023基頻激光在非線性晶體中產(chǎn)生倍頻極化波，倍頻極化波在一定厚度的晶體中一邊前進，一邊產(chǎn)生倍頻次波輻射。倍頻次波輻射與倍頻極化波相位相差π/2，它們疊加的結(jié)果形成最后出射的倍頻光。當θ滿足相位匹配時，許多倍頻次波輻射就因干涉相長而得到最強的倍頻光，反之，不滿足相位匹配時，倍頻次波輻射就因干涉相消而使倍頻光為零。相位匹配兩個頻率為ω的光子與某些物質(zhì)相互作用，可產(chǎn)生一個頻率為2ω的光子。二次諧波11/26/2023（2）光混頻現(xiàn)象當一束強光和一束弱光同時進入非線性介質(zhì)時，可形成三波混頻效應(yīng)，產(chǎn)生和頻與差頻。當入射光波為兩種不同頻率的光E=E01cosωt+E02cosωt時，電極化強度P的二次項為上式各項中，除了有零頻項（直流項）和倍頻項外，還有和頻項以及差頻項。這些極化波再輻射，產(chǎn)生相應(yīng)的零頻光、倍頻光和頻光、差頻光。四波混頻將調(diào)諧相干光源的頻率擴展到紅外和紫外，可獲得入射光波之共軛光波。11/26/2023如果說:線性化使物理學(xué)的規(guī)律看起來顯得很優(yōu)美，那么:非線性卻使物理學(xué)充滿了使人興奮的內(nèi)容11/26/20231光學(xué)非線性極化非線性光學(xué)理論認為振子是非簡諧的，介質(zhì)是由非簡諧振子的集合組成：光電卓越班補充知識:11/26/20232.光學(xué)非線性極化介質(zhì)總的極化強度為：其中的二階非線性極化的表達式：三階非線性極化的表達式：11/26/20233.光學(xué)非線性極化率[]（二階非線性光學(xué)極化率）為三階張量，一般來說，應(yīng)該有27個分量，但由于作用于介質(zhì)的兩個光電場先后次序?qū)O化強度P(2)無影響，所以[]的后兩個下標具有對稱性，因而可以將[]表為矩陣形式（），式中i=1,2,3,n=1,2…6,從而只有18個分量11/26/2023非線性階數(shù)光學(xué)非線性效應(yīng)nn次諧波產(chǎn)生，nthharmonicgeneration(NHG)2光學(xué)整流,Rectification2和頻與差頻發(fā)生,Sum-anddifference-frequencygeneration2拉曼散射,Ramanscattering2布里淵散射,Brillouinscatteringnn-光子吸收(多光子吸收),n-photonabsorption2，3強度相關(guān)折射(非線性折射),Intensity-dependentrefraction2光學(xué)參量振蕩,Opticalparametricoscillation(OPO)3相