非線性光學(xué) 第四章

1、非線性光學(xué) 第四章第1頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四1 三階非線性光學(xué)效應(yīng)概述 第一，是三階微擾，一般要比二階效應(yīng)更弱，在實(shí)際中普遍采用共振效應(yīng)來提高三階效應(yīng)。 1.三階的特點(diǎn)：第二，是四波參與的過程，三階效應(yīng)比二階效應(yīng)更加豐富。 第三，可以發(fā)生在只有一個(gè)入射光電場頻率的情況，產(chǎn)生的效應(yīng)也只對應(yīng)于該入射光電場的頻率，這種效應(yīng)可以使介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，即所謂自聚焦，也可以產(chǎn)生一個(gè)具有獨(dú)特相位特性的新的出射光，這就是簡并四波混頻。 第四，原則上三階非線性光學(xué)效應(yīng)可以在所有介質(zhì)中觀測到。第2頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四2 三倍頻效應(yīng)要求滿足能量

2、和動(dòng)量守恒。產(chǎn)生方法：1、晶體中：方解石是唯一能實(shí)現(xiàn)三次諧波相位匹配的晶體。2、金屬蒸汽中：常采用雙光子共振、加入緩沖氣體第3頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四3 簡并四波混頻（DFWM） 應(yīng)用：1、將可調(diào)諧相干光源的頻率擴(kuò)展到紅外和紫外。2、簡并四波混頻用于自適應(yīng)光學(xué)中的波前再現(xiàn)。3、共振四波混頻是一種有效的研究材料的光譜分析工具。第4頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四簡并四波混頻（DFWM）第5頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四第6頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四一、定義：復(fù)振幅互為共軛的兩列光波。

3、如：沿z方向傳播的兩列波：二、特點(diǎn)：1 背向互為相位共軛的兩列波之間互為時(shí)間的反演4 相位共軛波第7頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四2、復(fù)振幅的相位空間分布規(guī)律背向相位共軛波：傳播方向相反、相位分布相同前向相位共軛波：傳播方向相同、相位分布呈鏡像對稱第8頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四三、相位共軛波的應(yīng)用：第9頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四四、光學(xué)混頻實(shí)現(xiàn)相位共軛波的方法：三波混頻：主要產(chǎn)生前向共軛波四波混頻：可以產(chǎn)生前向和背向共軛波* 前向受相位匹配限制，后向則不受。第10頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34

4、分，星期四典型實(shí)驗(yàn)裝置：第11頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四PCM的畸變補(bǔ)償：第12頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四產(chǎn)生條件：5 受激拉曼散射（SRS）第13頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四第14頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四 1、高的輸出強(qiáng)度：可達(dá)到與入射光強(qiáng)相同量級，甚至將入射光能量幾乎耗盡2、好的方向性：前向和后向輸出發(fā)散角可優(yōu)于入射光，因此可以用于光束整形。 3、高階散射。 4、相位共軛特性：可用于研究畸變補(bǔ)償。 特點(diǎn)第15頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四7 相干

5、反斯托克斯光（CARS）產(chǎn)生條件 1、強(qiáng)的抗熒光干擾性：信號(hào)光頻率高，信噪比高。2、好的方向性：滿足相位匹配的的方向產(chǎn)生信號(hào)光。 3、共振效應(yīng)：利用共振增強(qiáng)。 4、偏振特性：出射光的偏振性與入射光及介質(zhì)的對稱性密切相關(guān)，因此 抗干擾能力強(qiáng)。 特點(diǎn)第16頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四第17頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四8 雙光子吸收摻銪氟化鈣晶體第18頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四產(chǎn)生條件：第19頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四9 光克爾效應(yīng)及相關(guān)效應(yīng)各向同性介質(zhì)，設(shè)頻率為 的光電場的偏振方向?yàn)?/p>

6、y，第20頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四物理機(jī)制：第21頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四第22頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四與光克爾效應(yīng)相關(guān)的幾種重要現(xiàn)象1）自聚焦2）自相位調(diào)制及頻譜展寬研究領(lǐng)域：1）Z 掃描技術(shù)2）光學(xué)雙穩(wěn)3）光學(xué)孤子及通訊第23頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四激光束的自聚焦現(xiàn)象（SF）光束與介質(zhì)的三階非線性作用，介質(zhì)的折射率將發(fā)生改變：時(shí)，中心折射率大，兩邊小凸透鏡自聚焦時(shí)，中心折射率小，兩邊大凹透鏡自散焦 使光強(qiáng)趨于均勻分布光模糊效應(yīng)自衍射過程與光束截面半徑的平方成反比。

7、過程 當(dāng) 時(shí)，發(fā)生自聚焦現(xiàn)象。當(dāng)兩者作用大個(gè)相等時(shí)，二者的作用互相抵消，光柬截面在繼續(xù)向前傳 播時(shí)將保持不變光自陷。條件第24頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四1.分析幾種自聚焦現(xiàn)象：穩(wěn)態(tài)、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)（1） 激光束是連續(xù)的或緩變的長脈沖時(shí)，可用穩(wěn)態(tài)理論處理：其中， 是保持光束截面不變時(shí)的光功率。平面波：弱會(huì)聚波：強(qiáng)會(huì)聚波：發(fā)散波：第25頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四（2） 激光束是短脈沖時(shí)，介質(zhì)響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于光脈沖時(shí)間，考慮振幅隨時(shí)間的一階影響準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)自聚焦。第26頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四（3） 激光束的脈寬比光感

8、生折射率改變的響應(yīng)時(shí)間短或二者相當(dāng)時(shí)，在自聚焦過程中 隨時(shí)間變化顯得很重要瞬態(tài)自聚焦。 此時(shí)必須考慮 的時(shí)間積累以及由此引起的光脈沖前沿部分對后沿部分的影響。第27頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四2、Z-掃描技術(shù)特點(diǎn)：光路簡單、測量靈敏度高； 可同時(shí)測量非線性折射率和非線性吸收系數(shù)，即非線性極化率的實(shí)部和虛部； 如果在Z-掃描法中引入時(shí)間延遲還可分別研究具有不同時(shí)間響應(yīng)的非線性光學(xué) 效應(yīng)。 可用于檢測激光束的質(zhì)量、測量折射率變化和電光系數(shù)并用于研究光折變非線 性效應(yīng)及高斯光束的傳輸特性等。第28頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四 S 是孔闌線性透過

9、率，ra,a表示在線性范圍內(nèi)光闌半徑和光束在孔闌處的光斑半徑。 第29頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四I(t)是z=0處光軸上的瞬時(shí)光強(qiáng)，束腰半徑第30頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四 反飽和吸收、自散焦作用第31頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四光學(xué)雙穩(wěn)現(xiàn)象第32頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四第33頁，共35頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)34分，星期四參量過程與非參量過程參量過程：對于一個(gè)非線性光學(xué)過程，如果在過程前后非線性介質(zhì)的內(nèi)部 狀態(tài)保持不變。特點(diǎn)：要求滿足相位匹配條件。非參量過程：對于一個(gè)非線性光學(xué)過程，如