- 信息材料课件-非线性光学晶体材料 [兼容模式].pdf

非线性光学材料
NonlinearOpticalMaterials

光电技术学院
主要内容

v非线性光学基本概念及其应用

v非线性光学晶体材料

v其它非线性光学材料
非线性科学（量子力学、相对论）
线性和非线性(数学和物理上)

非线性科学，目前有六个主要研究领域，即：
l混沌(Chaos)
l孤子波（Soliton）
l分形（Fractal）
l模式形成（Patternformation）
l元胞自动机（Cellularautomata）
l复杂系统(Complexsystem)
目前发展起来的非线性物理学科包括：
*非线性光学（NonlinearOptics）
*非线性声学（NonlinearAcoustics）
*非线性动力学（NonlinearDynamics）
*量子混沌(QuantumChaos)……
1、研究范畴非线性光学是研究强光与物质相互作
用过程中出现的各种新现象和新效应

光物质

光介质极化辐射
rrr
E(t)极化响应过程P(t)辐射过程E(t)

r
rr介质对光场的响应呈线性关系：线性光学
E(t)~P(t)P()耦合波方程
介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学

各种非线性光学现象各光波间能量的转换
光与物质相互作用的机理
当光照射物质时，光波电磁场将对物质中的电子产生作用，在外电场
的作用下，介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波的电磁场的变化产
生振荡。

++－

原子的电极化：负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态。

若光波随时间作正弦变化，即它的电场强度沿两个相反方向交替
变化，电偶极子的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。表征电
偶极子的物理量是电偶极矩。P=Nqr
当光与物质相互作用时，光场中的电场强度使介质原子因感应而
产生电偶极矩，电偶极矩叠加起来形成电极化强度。电极化强度产
生极化场，极化场发出次级辐射。
极化响应的过程
l普通光入射介质，对应极化强度与入射光场的关系
rr
=r×
P0E

其中，0为真空介电常数，为线性极化率

l强激光入射介质（远离介质共振区），可以采用下面的级数
形式表示
rrrrrrrrrr
P=(1)×E+(2):EE+(3)MEEEL
r0r0rr0r
=P(1)+P(2)+P(3)L=P(1)+PNL
其中，(1)为线性极化率，(2)和(3)是二阶，三阶非线性极化
率。对于各向异性介质，(n)为（n+1）阶张量，张量元一般为
复数，实部对应介质的折射率，虚部对应介质的吸收
rrrr
(1)(2)(3)
P=P+P+PL
由非线性光学理论可以证明
vr
P(n+1)E
v~v原子内的平均电场强度
(n)的大小（～1011V/m）
PEat
弱光下，<，二阶以上非线性极化强度可
ØEEat
忽略

强光下，，二阶以上非线性极化强度不可
ØE~Eat
忽略
线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线
性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性
叠加原理

非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，
在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不
同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不
成立

l激光技术催生非线性光学的出现并推动了其
发展。
线性光学非线性光学

单束光在介质中传播，通过干涉、衍某一频率的入射光，可通过与介质的相
射、折射可以改变空间能量的分布和互作用转换成其它频率的光（如倍频），
传播方向，但与介质不发生能量的交还可以产生一系列在光谱上周期分布的
换，不改变光的频率不同频率和光强（受激拉曼散射）

多束光在介质中交叉传播，可能发生能
多束光在介质中交叉传播，不发生能
量相互转移，改变各自频率或产生新的
量相互交换，不改变各自的频率
频率（三波和四波混频）
光与介质相互作用，介质的物理参数如
光与介质相互作用，介质的物理参量
极化率、吸收系数、折射率等是光强的
只是光频的函数，与光场强度变化无
函数（非线性吸收和色散、光克尔效应
关
和自聚焦）

光束通过光学系统，入射光强与透射光
光束通过光学系统，入射光强与透射
强之间呈非线性关系，从而实现光开关
光强之间一般成线性关系
（光限幅、光学双稳、各种干涉仪开关）

光束之间可以相互传递相位信息，而且
多束光在介质中交叉传播，各光束的
两束光的相位可以互相共轭（光学相位
相位信息彼此不能相互传递
共轭）
发展历史（三阶段）

v1906年泡克耳斯发现线性电光效应；
v1929年克尔发现二次电光效应。
v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。

v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。
1961年Franken等人在Michigen大学的实验－光学
倍频实验。
滤光片

红宝