《非线性光学》PPT课件.ppt

《《非线性光学》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《非线性光学》PPT课件.ppt（42页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、非线性光学,内容提要,线性与非线性光学非线性光学的发展史本课程的主要内容与大纲本课程的教学安排参考书,线性光学与非线性光学,激光问世之前，光学研究的基本前提是：介质的极化强度与光波的电场强度成正比；光束在介质中传播时，介质光学性质的极化率/折射率是与光强无关的常量；光波独立传播。在上述条件下研究光学问题称为线性光学。,PcE,线性光学与非线性光学,线性光学的基本现象,光束在媒质中传播时，其频率固定不变；光束传播方向、空间分布的变化来源于光的衍射、反射、折射和干涉等效应。,多束光在同一媒质传播时：不产生新的频率；各光束的相位信息彼此不相互传递。,光束在媒质中传播时，媒质的主要光学参数：如折射率、

2、吸收系数等，和光束的强度无关，只是光束频率和偏振方向的函数。,光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间一般成线性关系。,线性光学与非线性光学,对很强的激光，光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟，媒质极化强度不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象非线性光学效应。,P=c(1)E+c(2)EE+c(3)EEE+,非线性关系,光对媒质的作用,媒质响应,线性光学与非线性光学,非线性光学：现代光学的一个分支，研究强相干光作用下产生的非线性现象及其应用 研究光和物质之间相互作用的非线性规律；研究由此引发的各种物理现象的规律。,探索它们在当前或今后科学

3、技术发展中的各种可能应用,非线性光学的发展历史,1906年泡克耳斯发现线性电光效应；1929年克尔发现二次电光效应。由于缺乏光学频段非线性研究的必要条件，光学非线性的研究一直停滞不前。非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。,非线性光学的发展历史,1961年Franken等人在Michigen大学的实验光学倍频实验。,非线性光学这个新学科的出现！,非线性光学的发展历史,非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期19611965年：非线性光学效应大量而迅速地出现：光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸收、光束自聚焦以及受激光散射等。19651969年：

4、继续发现新的非线性光学效应：非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等；对已发现的效应进行更深入的了解，并发展各种非线性光学器件。1970年代至今：非线性光学日趋成熟，特点：从固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效应研究；由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至更高阶效应的研究；由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究；就时间范畴而言，则由纳秒进入皮秒、飞秒领域。,非线性光学的发展历史,1961年 Kaiser 与 Garrett：同时吸收两个光子，原子从基态跃迁到激发态。,非线性光学的发展历史,若丹明6G染料,双光子荧光发射,1.06微

5、米激光,含悬浮尘粒的酒精,倍频晶体,0.53微米的倍频光,非线性光学的发展历史,1962 光学和频,红宝石,硝基苯,受激拉曼散射现象,非线性光学的发展历史,二甲亚砜液盒,0.53微米激光,散射光0.53um+SRS(斯托克斯),斯托克斯,非线性光学的发展历史,1965年：光学参量放大和振荡,非线性光学的发展历史,在受激拉曼散射的启示下，受激布里渊散射，受激瑞利散射等也被观察到。,基本建立了以介质极化和耦合方程为基础的非线性光学理论,上世纪60年代初及中期，在上述非线性现象发现的同时,以Bloembergen及他的学生为主,非线性光学的发展历史,布隆姆贝根是非线性光学理论的奠基人。他提出了一个能

6、够描述液体、半导体和金属等物质的许多非线性光学现象的一般理论框架。他和他的学派在以下三个方面为非线性光学奠定了理论基础：物质对光波场的非线性响应及其描述方法；光波之间以及光波与物质激发之间相互作用的理论；光通过界面时的非线性反射和折射的理论。,非线性光学的发展历史,理论和实验相结合，一系列三阶非线性光学效应也相继发现。而且还发现：只要有足够的光强，三阶非线性效应存在于所有的介质中。1962年，Askaryan在理论上提出了实现自聚焦的可能性，1964年被实验所验证。70年代初，光学克尔效应得到实验验证。1976年，观察到由于折射率随光强变化产生的光学双稳态效应，从而开始了无论在物理上还是在应用

7、上都是十分重要的非线性光学研究的一个分支：光学双稳态的研究。,非线性光学的发展历史,自聚焦现象,非线性光学的发展历史,为较低入射功率水平的情况下，无自聚焦效应产生,聚焦透镜所产生的几何焦点位于液盒中央部位,CS2液体盒,0.1ns绿激光,非线性光学的发展历史,较高功率水平，经过几何焦点后光束自陷现象的出现,非线性光学的发展历史,F-P腔,饱和吸收体,I in,I out,I out,I in,光学双稳态,非线性光学的发展历史,70年代中期发现利用四波混频可以实现相位共轭，这是非线性光学中一个重要的发现。,非线性光学的发展历史,波前畸变,理想波前,探测器分辨率的下降,探测孔径极限,波前校正,自适

8、应光学,四波混频可以很方便地实现波前校正,非线性光学的发展历史,四波混频参量效应：0.6微米的两束超短(0.5ps)脉冲激光在充有CS2液体的1厘米长液盒内产生的前向相干辐射的近场图分布。,非线性光学的发展历史,各种相干瞬态光学效应作为非线性光学的另一类，也在60及70年代初相继提出和实现。64年预言并观察到光子回波；67年发现了光学自感应透明；69年预言并观测到光学章动；72年观察到光学自由感应衰减。,非线性光学的发展历史,面积,面积,光子回波现象,非均匀展宽,非线性光学的发展历史,光学自感应透明共振吸收媒质对光场呈现透明的效应：光脉冲在媒质中传输时，形状和能量保持不变。,非线性光学的发展历

9、史,光学章动：透射光前沿的周期性振荡,非线性光学的发展历史,光学自由感应衰减：后沿的周期性振荡,非线性光学的发展历史,70年代开始非线性光学的应用研究：一方面给非线性光学注入了持续发展的动力；另一方面研究成果进一步丰富了非线性光学的内容。扩展相干光源倍频、和频、多倍频：蓝光、紫光、紫外光差频：红外激光参量振荡：可见光、近红外、红外、远红外可调谐激光器受激Raman散射、四波混频、参量振荡（气体）：紫外光、真空紫外光可调谐激光器,非线性光学的发展历史,相位共轭技术四波混频、受激Brillouin散射消除光束传播过程中的相位畸变，提高成像质量消除激光器内元件的畸变及热效应，改善激光输出质量光计算、

10、光通信及光电子技术光学逻辑器件（与、非、或、与非）光调制器（半导体中的非线性等）光存储器（光子回波时域相干光子存储）光纤通信、光孤子、光学压缩态,非线性光学的发展历史,光谱与物质研究中的非线性光学方法（开创者：Bloembergen、肖洛激光光谱，1981年诺贝尔物理学奖）饱和吸收光谱双光子吸收光谱相干瞬态光谱四波混频光谱表面与表面吸收的探测,非线性光学的发展历史,我国非线性光学晶体材料处于国际领先地位，其中BBO和LBO两种晶体为我国所发现并批量生长，它们性能优良，开创了激光紫外倍频的新纪元。世界上第一个“中国牌”的非线性光学晶体新材料偏硼酸钡晶体（BBO）于1984年问世，这是我们中国人的

11、骄傲，是中国科学院福建物质结构研究所首创的非线性光学晶体新材料。(1953年12月才能生产玻璃)倍频效率最高，抗光损伤能力最高，调谐宽度最宽的优质紫外倍频晶体。,非线性光学的发展历史,激光器里用的最多的三种类型的非线性光学晶体是BBO、LBO和KTP。打开任何一台高级的激光器，里面用到的非线性晶体不外乎这三种。各国研究的非线性光学晶体有几十种，但真正用到商品上的就这三种。前两种是中国发明的，第三种是美国杜邦公司发明的，但足够大尺寸KTP也是在中国生长出来的。,非线性光学的发展历史,1990年以来，非线性光学在如下领域取得了重大的进展：飞秒区非线性光学性质的研究，以及飞秒化学和飞秒生物学；有源、

12、无源半导体器件在光通信中的应用；光纤中的非线性光学，光孤子；大容量、高速光存储X激光器；压缩态的实验进展；非线性光学已经成为高科技，尤其是光电子技术、光子学、光子技术的基础,本课程的主要内容,1、光和物质之间相互作用的非线性规律 系统讲述光与媒质相互作用的非线性理论，重点：原子体系，分子体系，二能级系统、半导体材料的非线性极化机理。2、非线性物理现象的规律 分析典型的非线性光学过程，阐述主要非线性的物理过程、性质。3、应用技术 分析重要的非线性光学技术：相位匹配与相位共轭。分析非线性光学应用过程中的多重效应，重点阐述在非线性晶体、半导体光电子学及光纤通信中的研究方法及应用技术。,本课程的大纲,

13、前言原子介质的非线性极化率二能级近似下的非线性光学分子介质的非线性极化率非线性光学折射率半导体中的非线性极化受激散射的非线性极化（光和物质之间相互作用的非线性规律：3032课时）非线性传输方程几种非线性效应的物理过程（非线性物理现象的规律：1618课时）非线性光学中的关键技术多重效应下的非线性（应用技术1416课时）,本课程的教学安排,课堂讲授与自学相结合，其中课堂讲授每周3课时，共16周；总成绩中：平时作业掌握基础知识：占30；Project调研前沿问题：占20；期终考试系统综合的能力；分析问题，解决问题的能力：占50。考试方式：开卷；,本课程的教学安排,Project推荐的、但不限于的方向

14、：量子信息技术(量子计算、量子通信、量子密匙)光子晶体有机分子纳米结构光纤参量、拉曼放大器光纤传输系统光网络半导体器件光存储,本课程的教学安排,Project的基本要求：研究意义、国内外发展现状。所涉及的学术问题、研究方法及研究成果。思路清晰，结论正确。参考文献齐全。,本课程的教学安排,报告上交的截止时间：第12周上课前。,参考书,Y.Guo,Nonlinear Photonics(本课程的主要参考书)W.Boyd,Nonlinear opticsE.Garmire,Nonlinear optics in semiconductorsG.P.Agrawl,Nonlinear fiber optics过已吉，非线性光学，西北电讯工程学院出版社(石庆祥)沈元壤，非线性光学，科学出版社王奎雄，非线性光学，国防工业出版社范琦康，非线性光学，江苏科学技术出版社费浩生，非线性光学，高等教育出版设熊贵光，非线性光学，武汉大学出版社叶佩弦，非线性光学，中国科学技术出版社Paul N.,The elements of nonlinear optics,