NLO Non Linear Optics 非線性光學(xué)
非線性光學(xué)
nonlinear optics
現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)分支，研究介質(zhì)在強(qiáng)相干光作用下產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象及其應(yīng)用。激光問(wèn)世之前，基本上是研究弱光束在介質(zhì)中的傳播，確定介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的折射率或極化率是與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的常量，介質(zhì)的極化強(qiáng)度與光波的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，光波疊加時(shí)遵守線性疊加原理（見(jiàn)光的獨(dú)立傳播原理）。在上述條件下研究光學(xué)問(wèn)題稱為線性光學(xué)。對(duì)很強(qiáng)的激光，例如當(dāng)光波的電場(chǎng)強(qiáng)度可與原子內(nèi)部的庫(kù)侖場(chǎng)相比擬時(shí)，光與介質(zhì)的相互作用將產(chǎn)生非線性效應(yīng)，反映介質(zhì)性質(zhì)的物理量（如極化強(qiáng)度等）不僅與場(chǎng)強(qiáng)E的一次方有關(guān)，而且還決定于E的更高冪次項(xiàng)，從而導(dǎo)致線性光學(xué)中不明顯的許多新現(xiàn)象。介質(zhì)極化率P與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系可寫成
P＝α1E＋α2E2＋α3E3＋…
非線性效應(yīng)是E項(xiàng)及更高冪次項(xiàng)起作用的結(jié)果。
發(fā)展簡(jiǎn)史 非線性光學(xué)的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和1929年克爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。但是非線性光學(xué)發(fā)展成為今天這樣一門重要學(xué)科，應(yīng)該說(shuō)是從激光出現(xiàn)后才開(kāi)始的。激光的出現(xiàn)為人們提供了強(qiáng)度高和相干性好的光束。而這樣的光束正是發(fā)現(xiàn)各種非線性光學(xué)效應(yīng)所必需的(一般來(lái)說(shuō)，功率密度要大于10～10W/cm,但對(duì)不同介質(zhì)和不同效應(yīng)有著巨大差異)。自從1961年P(guān).A.弗蘭肯等人首次發(fā)現(xiàn)光學(xué)二次諧波以來(lái)，非線性光學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)不同的時(shí)期。第一個(gè)時(shí)期是1961～1965年。這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是新的非線性光學(xué)效應(yīng)大量而迅速地出現(xiàn)。諸如光學(xué)諧波、光學(xué)和頻與差頻、光學(xué)參量放大與振蕩、多光子吸收、光束自聚焦以及受激光散射等等都是這個(gè)時(shí)期發(fā)現(xiàn)的。第二個(gè)時(shí)期是1965～1969年。這個(gè)時(shí)期一方面還在繼續(xù)發(fā)現(xiàn)一些新的非線性光學(xué)效應(yīng)，例如非線性光譜方面的效應(yīng)、各種瞬態(tài)相干效應(yīng)、光致?lián)舸┑鹊�；另一方面則主要致力于對(duì)已發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)進(jìn)行更深入的了解，以及發(fā)展各種非線性光學(xué)器件。第三個(gè)時(shí)期是70年代至今。這個(gè)時(shí)期是非線性光學(xué)日趨成熟的時(shí)期。其特點(diǎn)是：由以固體非線性效應(yīng)為主的研究擴(kuò)展到包括氣體、原子蒸氣、液體、固體以至液晶的非線性效應(yīng)的研究；由二階非線性效應(yīng)為主的研究發(fā)展到三階、五階以至更高階效應(yīng)的研究；由一般非線性效應(yīng)發(fā)展到共振非線性效應(yīng)的研究；就時(shí)間范疇而言，則由納秒進(jìn)入皮秒領(lǐng)域。這些特點(diǎn)都是和激光調(diào)諧技術(shù)以及超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的。
常見(jiàn)非線性光學(xué)現(xiàn)象有：①光學(xué)整流。E2項(xiàng)的存在將引起介質(zhì)的恒定極化項(xiàng)，產(chǎn)生恒定的極化電荷和相應(yīng)的電勢(shì)差，電勢(shì)差與光強(qiáng)成正比而與頻率無(wú)關(guān)，類似于交流電經(jīng)整流管整流后得到直流電壓。②產(chǎn)生高次諧波。弱光進(jìn)入介質(zhì)后頻率保持不變。強(qiáng)光進(jìn)入介質(zhì)后，由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)，除原來(lái)的頻率ω外，還將出現(xiàn)2ω、3ω、……等的高次諧波。1961年美國(guó)的P.A.弗蘭肯和他的同事們首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到二次諧波。他們把紅寶石激光器發(fā)出的3千瓦紅色（6943埃）激光脈沖聚焦到石英晶片上，觀察到了波長(zhǎng)為3471.5埃的紫外二次諧波。若把一塊鈮酸鋇鈉晶體放在1瓦、1.06微米波長(zhǎng)的激光器腔內(nèi)，可得到連續(xù)的1瓦二次諧波激光，波長(zhǎng)為5323埃。非線性介質(zhì)的這種倍頻效應(yīng)在激光技術(shù)中有重要應(yīng)用。③光學(xué)混頻。當(dāng)兩束頻率為ω1和 ω2（ω1＞ω2）的激光同時(shí)射入介質(zhì)時(shí)，如果只考慮極化強(qiáng)度P的二次項(xiàng)，將產(chǎn)生頻率為ω1＋ω2的和頻項(xiàng)和頻率為ω1－ω2的差頻項(xiàng)。利用光學(xué)混頻效應(yīng)可制作光學(xué)參量振蕩器，這是一種可在很寬范圍內(nèi)調(diào)諧的類似激光器的光源，可發(fā)射從紅外到紫外的相干輻射。④受激拉曼散射。普通光源產(chǎn)生的拉曼散射是自發(fā)拉曼散射，散射光是不相干的。當(dāng)入射光采用很強(qiáng)的激光時(shí)，由于激光輻射與物質(zhì)分子的強(qiáng)烈作用，使散射過(guò)程具有受激輻射的性質(zhì)，稱受激拉曼散射。所產(chǎn)生的拉曼散射光具有很高的相干性，其強(qiáng)度也比自發(fā)拉曼散射光強(qiáng)得多。利用受激拉曼散射可獲得多種新波長(zhǎng)的相干輻射，并為深入研究強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律提供手段。⑤自聚焦。介質(zhì)在強(qiáng)光作用下折射率將隨光強(qiáng)的增加而增大。激光束的強(qiáng)度具有高斯分布，光強(qiáng)在中軸處最大，并向外圍遞減，于是激光束的軸線附近有較大的折射率，像凸透鏡一樣光束將向軸線自動(dòng)會(huì)聚，直到光束達(dá)到一細(xì)絲極限（直徑約5×10-6米），并可在這細(xì)絲范圍內(nèi)產(chǎn)生全反射，猶如光在光學(xué)纖維內(nèi)傳播一樣。⑥光致透明。弱光下介質(zhì)的吸收系數(shù)（見(jiàn)光的吸收）與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，但對(duì)很強(qiáng)的激光，介質(zhì)的吸收系數(shù)與光強(qiáng)有依賴關(guān)系，某些本來(lái)不透明的介質(zhì)在強(qiáng)光作用下吸收系數(shù)會(huì)變?yōu)榱恪?BR> 研究非線性光學(xué)對(duì)激光技術(shù)、光譜學(xué)的發(fā)展以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析等都有重要意義。非線性光學(xué)研究是各類系統(tǒng)中非線性現(xiàn)象共同規(guī)律的一門交叉科學(xué)。目前在非線性光學(xué)的研究熱點(diǎn)包括：研究及尋找新的非線性光學(xué)材料例如有機(jī)高分子或有機(jī)晶體等。并研討這些材料是否可以作為二波混合、四波混合、自發(fā)振蕩和相位反轉(zhuǎn)光放大器等、甚至空間光固子介質(zhì)等。常用的二階非線性光學(xué)晶體有磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氫銨（ADP）、磷酸二氘鉀(KD*P)、鈮酸鋇鈉等。此外還發(fā)現(xiàn)了許多三階非線性光學(xué)材料。
應(yīng)用 從技術(shù)領(lǐng)域到研究領(lǐng)域，非線性光學(xué)的應(yīng)用都是十分廣泛的。例如：①利用各種非線性晶體做成電光開(kāi)關(guān)和實(shí)現(xiàn)激光的調(diào)制。②利用二次及三次諧波的產(chǎn)生、二階及三階光學(xué)和頻與差頻實(shí)現(xiàn)激光頻率的轉(zhuǎn)換，獲得短至紫外、真空紫外，長(zhǎng)至遠(yuǎn)紅外的各種激光；同時(shí)，可通過(guò)實(shí)現(xiàn)紅外頻率的上轉(zhuǎn)換來(lái)克服目前在紅外接收方面的困難。③利用光學(xué)參量振蕩實(shí)現(xiàn)激光頻率的調(diào)諧。目前，與倍頻、混頻技術(shù)相結(jié)合已可實(shí)現(xiàn)從中紅外一直到真空紫外寬廣范圍內(nèi)調(diào)諧。④利用一些非線性光學(xué)效應(yīng)中輸出光束所具有的位相共軛特征，進(jìn)行光學(xué)信息處理、改善成像質(zhì)量和光束質(zhì)量。⑤利用折射率隨光強(qiáng)變化的性質(zhì)做成非線性標(biāo)準(zhǔn)具和各種雙穩(wěn)器件。⑥利用各種非線性光學(xué)效應(yīng)，特別是共振非線性光學(xué)效應(yīng)及各種瞬態(tài)相干光學(xué)效應(yīng)，研究物質(zhì)的高激發(fā)態(tài)及高分辨率光譜以及物質(zhì)內(nèi)部能量和激發(fā)的轉(zhuǎn)移過(guò)程及其他弛豫過(guò)程等。
非線性光學(xué)晶體的應(yīng)用:
光通信和集成光學(xué)使用的非線性光學(xué)晶體，包括準(zhǔn)相位匹配（QPM）多疇結(jié)構(gòu)晶體材料與元器件；
激光電視紅、綠、藍(lán)三基色光源使用的非線性光學(xué)晶體；
應(yīng)用于下一代光盤藍(lán)光光源的半導(dǎo)體倍頻晶體（如KN和某些可能的QPM產(chǎn)品）；
新型紅外、紫外、深紫外非線性晶體的研發(fā)和生產(chǎn)。
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