非線性光學(xué)概要及光電子器件_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、 當(dāng)光照射物質(zhì)時(shí),光波電磁場(chǎng)將對(duì)物當(dāng)光照射物質(zhì)時(shí),光波電磁場(chǎng)將對(duì)物質(zhì)中的電子產(chǎn)生作用,在外電場(chǎng)的作用下,質(zhì)中的電子產(chǎn)生作用,在外電場(chǎng)的作用下,介質(zhì)原子成為電偶極子。電偶極子將隨光介質(zhì)原子成為電偶極子。電偶極子將隨光波的電磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生振蕩。波的電磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生振蕩。+ 原子的電極化:負(fù)電荷中心與正電荷原子的電極化:負(fù)電荷中心與正電荷中心產(chǎn)生偏離的狀態(tài)。中心產(chǎn)生偏離的狀態(tài)。qrp 若物質(zhì)中的電子在外場(chǎng)作用下產(chǎn)生位若物質(zhì)中的電子在外場(chǎng)作用下產(chǎn)生位移移 r,則每個(gè)電子產(chǎn)生一個(gè)電偶極矩,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,即它的電若光波隨時(shí)間作正弦變化,即它的電場(chǎng)強(qiáng)度沿兩個(gè)相反方

2、向交替變化,電偶極場(chǎng)強(qiáng)度沿兩個(gè)相反方向交替變化,電偶極子的負(fù)電荷中心將繞正電荷中心作周期性子的負(fù)電荷中心將繞正電荷中心作周期性振蕩。表征電偶極子的物理量是電偶極矩。振蕩。表征電偶極子的物理量是電偶極矩。NqrP 若單位體積中有若單位體積中有N 個(gè)電偶極子,個(gè)電偶極子,N 個(gè)偶個(gè)偶極矩的矢量和為極化強(qiáng)度極矩的矢量和為極化強(qiáng)度P。 :電偶極矩與外界電磁場(chǎng)成:電偶極矩與外界電磁場(chǎng)成線性關(guān)系。線性關(guān)系。 當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí),光場(chǎng)中的電當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí),光場(chǎng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度使介質(zhì)原子因感應(yīng)而產(chǎn)生電偶極矩,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。電極電偶極矩疊加起來形成電極

3、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。化強(qiáng)度產(chǎn)生極化場(chǎng),極化場(chǎng)發(fā)出次級(jí)輻射。xEP0 若若E 以以作簡(jiǎn)諧變化,作簡(jiǎn)諧變化,P 及其產(chǎn)生的及其產(chǎn)生的次級(jí)電磁輻射也以同樣的次級(jí)電磁輻射也以同樣的作簡(jiǎn)諧變化,作簡(jiǎn)諧變化,因兩頻率相同,次級(jí)輻射與入射光波疊加因兩頻率相同,次級(jí)輻射與入射光波疊加的結(jié)果使光波的單色性不變。的結(jié)果使光波的單色性不變。 當(dāng)有幾種不同頻率的光波同時(shí)與該物當(dāng)有幾種不同頻率的光波同時(shí)與該物質(zhì)相互作用時(shí),各種頻率的光都線性獨(dú)立質(zhì)相互作用時(shí),各種頻率的光都線性獨(dú)立地反射、折射和散射,不會(huì)發(fā)生新的頻率。地反射、折射和散射,不會(huì)發(fā)生新的頻率。 在線性光學(xué)中,物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)與在

4、線性光學(xué)中,物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)與光的場(chǎng)強(qiáng)成線性關(guān)系。光的場(chǎng)強(qiáng)成線性關(guān)系。 外界作用的光場(chǎng)較強(qiáng),電外界作用的光場(chǎng)較強(qiáng),電偶極子的振蕩不再具有位移與外電場(chǎng)成線偶極子的振蕩不再具有位移與外電場(chǎng)成線性的關(guān)系,產(chǎn)生的電磁振蕩是非線性的。性的關(guān)系,產(chǎn)生的電磁振蕩是非線性的。32EEEP 光通過物質(zhì)時(shí),光波的電矢量使物質(zhì)中光通過物質(zhì)時(shí),光波的電矢量使物質(zhì)中的帶電粒子作受迫振動(dòng),一部分光能用來提的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。光的強(qiáng)度隨穿入物質(zhì)的深供振動(dòng)所需能量。光的強(qiáng)度隨穿入物質(zhì)的深度而減少,光能被物質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。度而減少,光能被物質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。dxIdI 光強(qiáng)為光強(qiáng)為I 的

5、平行光束通過一無限薄層的平行光束通過一無限薄層dx時(shí),強(qiáng)度減少了時(shí),強(qiáng)度減少了d I,a 為吸收系數(shù)。為吸收系數(shù)。aleII0 對(duì)上式進(jìn)行積分,可求出在通過厚度對(duì)上式進(jìn)行積分,可求出在通過厚度為為 l 的吸收層后的光強(qiáng)的吸收層后的光強(qiáng) I 。 在介質(zhì)中,當(dāng)光的頻率與電偶極子的固在介質(zhì)中,當(dāng)光的頻率與電偶極子的固有頻率一致時(shí),發(fā)生共振現(xiàn)象,因而光能有頻率一致時(shí),發(fā)生共振現(xiàn)象,因而光能被強(qiáng)烈地吸收,在其他情況下表現(xiàn)為透明。被強(qiáng)烈地吸收,在其他情況下表現(xiàn)為透明。一般吸收(一般吸收(a 很大)很大)選擇吸收(選擇吸收( a 很?。┖苄。┙橘|(zhì)對(duì)光的吸收:介質(zhì)對(duì)光的吸收: 吸收光譜能反映材料特征。同一物質(zhì)

6、吸收光譜能反映材料特征。同一物質(zhì)的發(fā)射光譜與吸收光譜有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。的發(fā)射光譜與吸收光譜有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 具有連續(xù)譜的光(白光)通過選擇吸具有連續(xù)譜的光(白光)通過選擇吸收介質(zhì)后,用光譜儀可觀察不同波長(zhǎng)的光收介質(zhì)后,用光譜儀可觀察不同波長(zhǎng)的光被吸收的譜線。被吸收的譜線。 正常色散:在透明波段(一般吸收),折正常色散:在透明波段(一般吸收),折射率隨波長(zhǎng)增加而減少。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),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。折射率隨波長(zhǎng)增加而增加。42CBAn介質(zhì)材料的折射率隨波長(zhǎng)而改變的現(xiàn)象。介質(zhì)材料的折射率隨波長(zhǎng)而改變的現(xiàn)象。(

7、1)色散與吸收)色散與吸收正常色散的經(jīng)驗(yàn)公式(柯西公式):正常色散的經(jīng)驗(yàn)公式(柯西公式): 在可見光區(qū)域色散是正常的,曲線在可見光區(qū)域色散是正常的,曲線PQ 段段符合柯西公式,若向紅外區(qū)域延伸,并接近符合柯西公式,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(吸收帶時(shí),色散曲線發(fā)生偏離(R點(diǎn)),過點(diǎn)),過了吸收帶,曲線了吸收帶,曲線ST 又恢復(fù)正常。又恢復(fù)正常。(2)色散與經(jīng)典電磁理論)色散與經(jīng)典電磁理論 光波在介質(zhì)中的吸收和色散行為,可光波在介質(zhì)中的吸收和色散行為,可用光場(chǎng)使電偶極子產(chǎn)生振蕩的理論來描述。用光場(chǎng)使電偶極子產(chǎn)生振蕩的理論來描述。xEP0inxvcNr10 介質(zhì)材料的電極化

8、率介質(zhì)材料的電極化率x 決定了折射率決定了折射率N 的實(shí)部的實(shí)部 n 和虛部和虛部,從而研究介質(zhì)的吸從而研究介質(zhì)的吸收(收()和色散()和色散(n)的問題。)的問題。 入射光頻率接近電偶極子的固有頻率入射光頻率接近電偶極子的固有頻率時(shí)吸收很大,為反常色散。時(shí)吸收很大,為反常色散。 當(dāng)光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻介質(zhì)時(shí),除當(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)律傳播的光線外,其它方向了按幾何光學(xué)規(guī)律傳播的光線外,其它方向或多或少也有光線存在?;蚨嗷蛏僖灿泄饩€存在。 介質(zhì)中各點(diǎn)所發(fā)射的次波是不相干疊介質(zhì)中各點(diǎn)所發(fā)射的次波是不相干疊加,不會(huì)相消為零,從而形成了散射光。加,不會(huì)相消為零,從而形成了

9、散射光。 散射粒子線度比波長(zhǎng)小得多,散射光強(qiáng)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)的四次方成反比。散射光度與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比。散射光中短波占優(yōu)勢(shì),白光散射時(shí)帶青藍(lán)色。中短波占優(yōu)勢(shì),白光散射時(shí)帶青藍(lán)色。 在研究晶體和液體內(nèi)的散射時(shí),發(fā)現(xiàn)在研究晶體和液體內(nèi)的散射時(shí),發(fā)現(xiàn)一些微弱的與入射光頻率不同的散射光。一些微弱的與入射光頻率不同的散射光。 入射光中的一部分能量被介質(zhì)吸收,入射光中的一部分能量被介質(zhì)吸收,用來激勵(lì)介質(zhì)中分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的能量,用來激勵(lì)介質(zhì)中分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的能量,從而使散射光的頻率比入射光的低。從而使散射光的頻率比入射光的低。 若散射光的頻率比入射光的高為反斯若散

10、射光的頻率比入射光的高為反斯托克斯托克斯-拉曼散射。這種非彈性散射的可拉曼散射。這種非彈性散射的可能性比彈性散射小得多。入射與散射光的能性比彈性散射小得多。入射與散射光的頻率差反映介質(zhì)能級(jí)的能量差。頻率差反映介質(zhì)能級(jí)的能量差。 受激散射:當(dāng)以強(qiáng)光入射時(shí),可使某些介質(zhì)的受激散射:當(dāng)以強(qiáng)光入射時(shí),可使某些介質(zhì)的散射過程具有受激發(fā)射的性質(zhì),散射光突然變強(qiáng)。散射過程具有受激發(fā)射的性質(zhì),散射光突然變強(qiáng)。 光通過由熱激發(fā)產(chǎn)生聲波的介質(zhì)時(shí),光通過由熱激發(fā)產(chǎn)生聲波的介質(zhì)時(shí),散射光中除包含入射光頻外,其兩側(cè)還有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)。頻移線(布里淵雙重線)。 晶體中的聲波參與

11、了能量的交換,可晶體中的聲波參與了能量的交換,可用被相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生頻移的多普勒頻移用被相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生頻移的多普勒頻移理論解釋。理論解釋。 生物組織是高散射物質(zhì),用光學(xué)方法顯生物組織是高散射物質(zhì),用光學(xué)方法顯現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)部的物體是生物醫(yī)學(xué)的熱門課題。現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)部的物體是生物醫(yī)學(xué)的熱門課題。蛇形光層析、時(shí)間門成像術(shù)、電子全息術(shù)蛇形光層析、時(shí)間門成像術(shù)、電子全息術(shù) 在與強(qiáng)光與被動(dòng)介質(zhì)相互作在與強(qiáng)光與被動(dòng)介質(zhì)相互作用時(shí),它的性質(zhì)如同化學(xué)反應(yīng)中的催化劑,用時(shí),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。整流、光

12、學(xué)諧波、光混頻和光自聚焦等。 在與強(qiáng)光與被動(dòng)介質(zhì)相互作在與強(qiáng)光與被動(dòng)介質(zhì)相互作用時(shí),它能以自己的固有頻率去影響與它用時(shí),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、受激布里淵激散射過程如受激拉曼散射、受激布里淵散射等。散射等。 激光具有能顯示介質(zhì)非線性所需的高強(qiáng)激光具有能顯示介質(zhì)非線性所需的高強(qiáng)度輻射場(chǎng)。度輻射場(chǎng)。 當(dāng)入射到介質(zhì)中的光波當(dāng)入射到介質(zhì)中的光波 E = E0 cost 很很強(qiáng)時(shí),強(qiáng)光將在晶體中感生電極化強(qiáng)度強(qiáng)時(shí),強(qiáng)光將在晶體中感生電極化強(qiáng)度PtEtEEEP22002coscostEtEEtEtE2c

13、os21cos21)2cos1 (21cos20020200 電極化強(qiáng)度中除有頻率為零的直流成電極化強(qiáng)度中除有頻率為零的直流成分外,還有頻率為分外,還有頻率為的基頻成分以及頻率的基頻成分以及頻率為為2的倍頻成分(二次諧波信號(hào))。的倍頻成分(二次諧波信號(hào))。匹配角匹配角:入射激光和非線性晶體光軸之間的夾角:入射激光和非線性晶體光軸之間的夾角 基頻激光在非線性晶體中產(chǎn)生倍頻極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化波,倍頻極化波在一定厚度的晶體中一邊前進(jìn),一邊產(chǎn)生倍頻次波輻射。倍頻次邊前進(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波輻射與倍頻極化波相位相

14、差/2,它們它們疊加的結(jié)果形成最后出射的倍頻光。疊加的結(jié)果形成最后出射的倍頻光。 當(dāng)當(dāng)滿足相位匹配時(shí),許多倍頻次波滿足相位匹配時(shí),許多倍頻次波輻射就因干涉相長(zhǎng)而得到最強(qiáng)的倍頻光,輻射就因干涉相長(zhǎng)而得到最強(qiáng)的倍頻光,反之,不滿足相位匹配時(shí),倍頻次波輻射反之,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。就因干涉相消而使倍頻光為零。 兩個(gè)頻率為兩個(gè)頻率為的光子與某些物質(zhì)相互的光子與某些物質(zhì)相互作用,可產(chǎn)生一個(gè)頻率為作用,可產(chǎn)生一個(gè)頻率為2的光子。的光子。二次諧波二次諧波 當(dāng)一束強(qiáng)光和一束弱光同時(shí)進(jìn)入非線性當(dāng)一束強(qiáng)光和一束弱光同時(shí)進(jìn)入非線性介質(zhì)時(shí),可形成三波混頻效應(yīng),產(chǎn)生和頻介質(zhì)時(shí),可形

15、成三波混頻效應(yīng),產(chǎn)生和頻與差頻。與差頻。 當(dāng)入射光波為兩種不同頻率的光當(dāng)入射光波為兩種不同頻率的光 E = E01 cost + E02 cost 時(shí),電極化強(qiáng)度時(shí),電極化強(qiáng)度P 的二次項(xiàng)為的二次項(xiàng)為)coscos2coscos(2102011220212201ttEEtEtE)cos()cos() 12(cos2) 12(cos22121020112021201ttEEtEtE 上式各項(xiàng)中,除了有零頻項(xiàng)(直流項(xiàng))上式各項(xiàng)中,除了有零頻項(xiàng)(直流項(xiàng))和倍頻項(xiàng)外,還有和頻項(xiàng)以及差頻項(xiàng)。這些和倍頻項(xiàng)外,還有和頻項(xiàng)以及差頻項(xiàng)。這些極化波再輻射,產(chǎn)生相應(yīng)的零頻光、倍頻光極化波再輻射,產(chǎn)生相應(yīng)的零頻光、倍

16、頻光和頻光、差頻光。和頻光、差頻光。 四波混頻將調(diào)諧相干光源的頻率擴(kuò)展到四波混頻將調(diào)諧相干光源的頻率擴(kuò)展到紅外和紫外,可獲得入射光波之共軛光波。紅外和紫外,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)態(tài) 光學(xué)雙穩(wěn)是指一個(gè)輸入光強(qiáng)存在著兩個(gè)光學(xué)雙穩(wěn)是指一個(gè)輸入光強(qiáng)存在著兩個(gè)可以相互轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定輸出光強(qiáng)狀態(tài),其輸入可以相互轉(zhuǎn)換的穩(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。輸出光強(qiáng)關(guān)系類似磁滯回線。B與與C點(diǎn)是同一輸入光強(qiáng)下兩個(gè)不同的輸出光強(qiáng)狀態(tài)。點(diǎn)是同一輸入光強(qiáng)下兩個(gè)不同的輸出光強(qiáng)狀態(tài)。 雙穩(wěn)態(tài)是一種反轉(zhuǎn)觸發(fā)器件。光學(xué)雙雙穩(wěn)態(tài)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

17、兩穩(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)。種光強(qiáng)狀態(tài)。 在在 F-P 干涉儀的兩反射平面的中間放入干涉儀的兩反射平面的中間放入非線性介質(zhì),并使非線性介質(zhì),并使 F-P 干涉儀中的一部分輸干涉儀中的一部分輸出光波反饋到非線性介質(zhì)上,以改變其折射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和所輸出的單色光波的光強(qiáng)。率從而改變相位和所輸出的單色光波的光強(qiáng)。)2/(sin1)(2maxFTTiITI)(0 光數(shù)字計(jì)算機(jī)的核心元件是光學(xué)雙穩(wěn)光數(shù)字計(jì)算機(jī)的核心元件是光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件,如光放大器、光開關(guān)。態(tài)器件,如光放大器、光開關(guān)。 利用物質(zhì)吸收光輻射能量后其電學(xué)性質(zhì)利用物質(zhì)吸收光輻射能量后其

18、電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變來對(duì)輻射能流進(jìn)行檢測(cè)的器件。發(fā)生改變來對(duì)輻射能流進(jìn)行檢測(cè)的器件。 光電效應(yīng)的機(jī)理是入射的光子被探測(cè)光電效應(yīng)的機(jī)理是入射的光子被探測(cè)器吸收導(dǎo)致內(nèi)部微觀體系能量的變化。特器吸收導(dǎo)致內(nèi)部微觀體系能量的變化。特點(diǎn)是對(duì)光輻射的波長(zhǎng)響應(yīng)有選擇,且響應(yīng)點(diǎn)是對(duì)光輻射的波長(zhǎng)響應(yīng)有選擇,且響應(yīng)速度可以很快。速度可以很快。 外光電效應(yīng)器件必須將光敏材料放在外光電效應(yīng)器件必須將光敏材料放在真空容器中,為光電管或真空容器中,為光電管或。 外光電效應(yīng)是光照使光敏材料中的電外光電效應(yīng)是光照使光敏材料中的電子逸出表面而成為自由電子,即發(fā)射電子。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)是光輻射使半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)是光輻射使半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生新的載流子而改變其電導(dǎo)率。新的載流子而改變其電導(dǎo)率。AKeh微通道板微通道板 當(dāng)光陰極平板受到一幅圖象的照射時(shí),當(dāng)光陰極平板受到一幅圖象的照射時(shí),各點(diǎn)上發(fā)射出強(qiáng)弱不同的光電子流,它們通各點(diǎn)上發(fā)射出強(qiáng)弱不同的光電子流,它們

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