非線性光學(xué)概要及光電子器件

非線性光學(xué)概要及光電子器件

若物質(zhì)中得電子在外場(chǎng)作用下產(chǎn)生位移r,則每個(gè)電子產(chǎn)生一個(gè)電偶極矩p。

若光波隨時(shí)間作正弦變化,即它得電場(chǎng)強(qiáng)度沿兩個(gè)相反方向交替變化,電偶極子得負(fù)電荷中心將繞正電荷中心作周期性振蕩。表征電偶極子得物理量就是電偶極矩。

若單位體積中有N個(gè)電偶極子,N個(gè)偶極矩得矢量與為極化強(qiáng)度P。

線性光學(xué):電偶極矩與外界電磁場(chǎng)成線性關(guān)系。

當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí),光場(chǎng)中得電場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度。電極化強(qiáng)度產(chǎn)生極化場(chǎng),極化場(chǎng)發(fā)出次級(jí)輻射。

若E以ω作簡(jiǎn)諧變化,P及其產(chǎn)生得次級(jí)電磁輻射也以同樣得ω作簡(jiǎn)諧變化,因兩頻率相同,次級(jí)輻射與入射光波疊加得結(jié)果使光波得單色性不變。

當(dāng)有幾種不同頻率得光波同時(shí)與該物質(zhì)相互作用時(shí),各種頻率得光都線性獨(dú)立地反射、折射與散射,不會(huì)發(fā)生新得頻率。

在線性光學(xué)中,物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)得響應(yīng)與光得場(chǎng)強(qiáng)成線性關(guān)系。光得獨(dú)立性原理與疊加原理都成立。

非線性光學(xué):外界作用得光場(chǎng)較強(qiáng),電偶極子得振蕩不再具有位移與外電場(chǎng)成線性得關(guān)系,產(chǎn)生得電磁振蕩就是非線性得。二、光得吸收

光通過物質(zhì)時(shí),光波得電矢量使物質(zhì)中得帶電粒子作受迫振動(dòng),一部分光能用來提供振動(dòng)所需能量。光得強(qiáng)度隨穿入物質(zhì)得深度而減少,光能被物質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

光強(qiáng)為I得平行光束通過一無(wú)限薄層dx時(shí),強(qiáng)度減少了dI,a為吸收系數(shù)。

對(duì)上式進(jìn)行積分,可求出在通過厚度為l

得吸收層后得光強(qiáng)I。

在介質(zhì)中,當(dāng)光得頻率與電偶極子得固有頻率一致時(shí),發(fā)生共振現(xiàn)象,因而光能被強(qiáng)烈地吸收,在其她情況下表現(xiàn)為透明。一般吸收(a很大)選擇吸收(a很小)介質(zhì)對(duì)光得吸收:{

吸收光譜能反映材料特征。同一物質(zhì)得發(fā)射光譜與吸收光譜有嚴(yán)格得對(duì)應(yīng)關(guān)系。

具有連續(xù)譜得光(白光)通過選擇吸收介質(zhì)后,用光譜儀可觀察不同波長(zhǎng)得光被吸收得譜線。

正常色散:在透明波段(一般吸收),折射率隨波長(zhǎng)增加而減少。

反常色散:在不透明波段(選擇吸收),折射率隨波長(zhǎng)增加而增加。三、光得色散介質(zhì)材料得折射率隨波長(zhǎng)而改變得現(xiàn)象。(1)色散與吸收正常色散得經(jīng)驗(yàn)公式(柯西公式):可見光吸收帶λnPQR柯西公式STO

在可見光區(qū)域色散就是正常得,曲線PQ段符合柯西公式,若向紅外區(qū)域延伸,并接近吸收帶時(shí),色散曲線發(fā)生偏離(R點(diǎn)),過了吸收帶,曲線ST又恢復(fù)正常。(2)色散與經(jīng)典電磁理論

光波在介質(zhì)中得吸收與色散行為,可用光場(chǎng)使電偶極子產(chǎn)生振蕩得理論來描述。

介質(zhì)材料得電極化率x決定了折射率N得實(shí)部n與虛部κ,從而研究介質(zhì)得吸收(κ)與色散(n)得問題。

入射光頻率接近電偶極子得固有頻率時(shí)吸收很大,為反常色散。四、光得散射

當(dāng)光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻介質(zhì)時(shí),除了按幾何光學(xué)規(guī)律傳播得光線外,其它方向或多或少也有光線存在。

介質(zhì)中各點(diǎn)所發(fā)射得次波就是不相干疊加,不會(huì)相消為零,從而形成了散射光。(1)瑞利散射

散射粒子線度比波長(zhǎng)小得多,散射光強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)得四次方成反比。散射光中短波占優(yōu)勢(shì),白光散射時(shí)帶青藍(lán)色。(2)拉曼散射

在研究晶體與液體內(nèi)得散射時(shí),發(fā)現(xiàn)一些微弱得與入射光頻率不同得散射光。

入射光中得一部分能量被介質(zhì)吸收,用來激勵(lì)介質(zhì)中分子得振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)得能量,從而使散射光得頻率比入射光得低。

若散射光得頻率比入射光得高為反斯托克斯-拉曼散射。這種非彈性散射得可能性比彈性散射小得多。入射與散射光得頻率差反映介質(zhì)能級(jí)得能量差。大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜彈性散射hγ0hγ0γ0hγ0hγ0γ0h（γ0

－△

γ）h（γ0

＋△

γ）γ0

－△

γγ0

＋△

γ非彈性散射

受激散射:當(dāng)以強(qiáng)光入射時(shí),可使某些介質(zhì)得散射過程具有受激發(fā)射得性質(zhì),散射光突然變強(qiáng)。(3)布里淵散射

光通過由熱激發(fā)產(chǎn)生聲波得介質(zhì)時(shí),散射光中除包含入射光頻外,其兩側(cè)還有頻移線(布里淵雙重線)。

晶體中得聲波參與了能量得交換,可用被相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生頻移得多普勒頻移理論解釋。

生物組織就是高散射物質(zhì),用光學(xué)方法顯現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)部得物體就是生物醫(yī)學(xué)得熱門課題。蛇形光層析、時(shí)間門成像術(shù)、電子全息術(shù)五、光學(xué)中得非線性現(xiàn)象

被動(dòng)介質(zhì)在與強(qiáng)光與被動(dòng)介質(zhì)相互作用時(shí),它得性質(zhì)如同化學(xué)反應(yīng)中得催化劑,它本身得固有頻率并不明顯起作用。如光整流、光學(xué)諧波、光混頻與光自聚焦等。

激活介質(zhì)在與強(qiáng)光與被動(dòng)介質(zhì)相互作用時(shí),它能以自己得固有頻率去影響與它相互作用得光波,這類相互作用就是一些受激散射過程如受激拉曼散射、受激布里淵散射等。

激光具有能顯示介質(zhì)非線性所需得高強(qiáng)度輻射場(chǎng)。(1)激光倍頻技術(shù)

當(dāng)入射到介質(zhì)中得光波E=E0cosωt很強(qiáng)時(shí),強(qiáng)光將在晶體中感生電極化強(qiáng)度P

電極化強(qiáng)度中除有頻率為零得直流成分外,還有頻率為ω得基頻成分以及頻率為2ω得倍頻成分(二次諧波信號(hào))。2ωω2ωω非線性晶體濾光片光電倍增管激光θ匹配角θ:入射激光與非線性晶體光軸之間得夾角

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得晶體中一邊前進(jìn),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,它們疊加得結(jié)果形成最后出射得倍頻光。

當(dāng)θ滿足相位匹配時(shí),許多倍頻次波輻射就因干涉相長(zhǎng)而得到最強(qiáng)得倍頻光,反之,不滿足相位匹配時(shí),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(gè)頻率為ω得光子與某些物質(zhì)相互作用,可產(chǎn)生一個(gè)頻率為2ω得光子。二次諧波(2)光混頻現(xiàn)象

當(dāng)一束強(qiáng)光與一束弱光同時(shí)進(jìn)入非線性介質(zhì)時(shí),可形成三波混頻效應(yīng),產(chǎn)生與頻與差頻。

當(dāng)入射光波為兩種不同頻率得光E=E01cosωt+E02cosωt

時(shí),電極化強(qiáng)度P得二次項(xiàng)為

上式各項(xiàng)中,除了有零頻項(xiàng)(直流項(xiàng))與倍頻項(xiàng)外,還有與頻項(xiàng)以及差頻項(xiàng)。這些極化波再輻射,產(chǎn)生相應(yīng)得零頻光、倍頻光與頻光、差頻光。

四波混頻將調(diào)諧相干光源得頻率擴(kuò)展到紅外與紫外,可獲得入射光波之共軛光波。(3)光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)

光學(xué)雙穩(wěn)就是指一個(gè)輸入光強(qiáng)存在著兩個(gè)可以相互轉(zhuǎn)換得穩(wěn)定輸出光強(qiáng)狀態(tài),其輸入輸出光強(qiáng)關(guān)系類似磁滯回線。IiI0CDBAOIiI0OB與C點(diǎn)就是同一輸入光強(qiáng)下兩個(gè)不同得輸出光強(qiáng)狀態(tài)。

雙穩(wěn)態(tài)就是一種反轉(zhuǎn)觸發(fā)器件。光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)用光脈沖作為觸發(fā)源以啟動(dòng)并選擇兩種光強(qiáng)狀態(tài)。IiI0T（I0

）在F-P干涉儀得兩反射平面得中間放入非線性介質(zhì),并使F-P干涉儀中得一部分輸出光波反饋到非線性介質(zhì)上,以改變其折射率從而改變相位與所輸出得單色光波得光強(qiáng)。

光數(shù)字計(jì)算機(jī)得核心元件就是光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件,如光放大器、光開關(guān)。六、光電子學(xué)器件(1)光電探測(cè)器

利用物質(zhì)吸收光輻射能量后其電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變來對(duì)輻射能流進(jìn)行檢測(cè)得器件。

光電效應(yīng)得機(jī)理就是入射得光子被探測(cè)器吸收導(dǎo)致內(nèi)部微觀體系能量得變化。特點(diǎn)就是對(duì)光輻射得波長(zhǎng)響應(yīng)有選擇,且響應(yīng)速度可以很快。

外光電效應(yīng)器件必須將光敏材料放在真空容器中,為光電管或光電倍增管。

外光電效應(yīng)就是光照使光敏材料中得電子逸出表面而成為自由電子,即發(fā)射電子。內(nèi)光電效應(yīng)就是光輻射使半導(dǎo)體材料中產(chǎn)