2.6光波在非線性介質(zhì)中的傳播詳解課件

2.6光波在非線性介質(zhì)中的傳播12/25/20241.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，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。++－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)。12/25/2024若物質(zhì)中的電子在外場(chǎng)作用下產(chǎn)生位移r，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振蕩。表征電偶極子的物理量是電偶極矩。若單位體積中有N個(gè)電偶極子，N個(gè)偶極矩的矢量和為極化強(qiáng)度P。12/25/2024

線性光學(xué)：電偶極矩與外界電磁場(chǎng)成線性關(guān)系。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，電偶極矩疊加起來形成電極化強(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。若E以ω作簡諧變化，P及其產(chǎn)生的次級(jí)電磁輻射也以同樣的ω作簡諧變化，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。12/25/2024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)與光的場(chǎng)強(qiáng)成線性關(guān)系。光的獨(dú)立性原理和疊加原理都成立。

非線性光學(xué)：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)成線性的關(guān)系，產(chǎn)生的電磁振蕩是非線性的。12/25/2024強(qiáng)光和弱光的劃分:比較E與E’的大小E:光場(chǎng)的強(qiáng)度E’:組成物質(zhì)的分子或原子內(nèi)部的平均電場(chǎng)強(qiáng)度線性關(guān)系強(qiáng)激光，E與E’可比擬,光場(chǎng)與物質(zhì)作用的非線性關(guān)系明顯.如光學(xué)倍頻和混頻,光學(xué)參量與振蕩,自聚焦,光學(xué)相位共軛,光的受激散射,光致透明,多光子吸收...普通光源的光,12/25/2024各向同性介質(zhì)非線性介質(zhì):非線性極化系數(shù)比較大的介質(zhì)兩類非線性光學(xué)現(xiàn)象:(1)強(qiáng)光與被動(dòng)介質(zhì)相互作用的非線性現(xiàn)象，如光學(xué)整流，光學(xué)倍頻與混頻，光自聚焦等等。(2)強(qiáng)光與激活介質(zhì)相互作用的非線性光學(xué)現(xiàn)象，如受激拉曼散射和受激布里淵散射等。---三次非線性電極化率---二次非線性電極化率---線性電極化率12/25/2024

被動(dòng)介質(zhì)強(qiáng)光與該介質(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，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。

激活介質(zhì)強(qiáng)光與該介質(zhì)相互作用時(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激散射過程如受激拉曼散射、受激布里淵散射等。12/25/2024激光具有能顯示介質(zhì)非線性所需的高強(qiáng)度輻射場(chǎng)。（1）激光倍頻技術(shù)當(dāng)入射到介質(zhì)中的光波E=E0cosωt很強(qiáng)時(shí)，強(qiáng)光將在晶體中感生電極化強(qiáng)度P12/25/2024電極化強(qiáng)度中除有頻率為零的直流成分外，還有頻率為ω的基頻成分以及頻率為2ω的倍頻成分（二次諧波信號(hào)）。2ωω2ωω非線性晶體濾光片光電倍增管激光θ匹配角θ：入射激光和非線性晶體光軸之間的夾角12/25/2024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π/2，它們疊加的結(jié)果形成最后出射的倍頻光。當(dāng)θ滿足相位匹配時(shí)，許多倍頻次波輻射就因干涉相長而得到最強(qiáng)的倍頻光，反之，不滿足相位匹配時(shí)，倍頻次波輻射就因干涉相消而使倍頻光為零。相位匹配兩個(gè)頻率為ω的光子與某些物質(zhì)相互作用，可產(chǎn)生一個(gè)頻率為2ω的光子。二次諧波12/25/2024（2）光混頻現(xiàn)象當(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)生和頻與差頻。當(dāng)入射光波為兩種不同頻率的光E=E01cosωt+E02cosωt時(shí)，電極化強(qiáng)度P的二次項(xiàng)為上式各項(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)。這些極化波再輻射，產(chǎn)生相應(yīng)的零頻光、倍頻光和頻光、差頻光。四波混頻將調(diào)諧相干光源的頻率擴(kuò)展到紅外和紫外，可獲得入射光波之共軛光波。12/25/2024如果說:線性化使物理學(xué)的規(guī)律看起來顯得很優(yōu)美，那么:非線性卻使物理學(xué)充滿了使人興奮的內(nèi)容12/25/20241光學(xué)非線性極化非線性光學(xué)理論認(rèn)為振子是非簡諧的，介質(zhì)是由非簡諧振子的集合組成：光電卓越班補(bǔ)充知識(shí):12/25/20242.光學(xué)非線性極化介質(zhì)總的極化強(qiáng)度為：其中的二階非線性極化的表達(dá)式：三階非線性極化的表達(dá)式：12/25/20243.光學(xué)非線性極化率[]（二階非線性光學(xué)極化率）為三階張量，一般來說，應(yīng)該有27個(gè)分量，但由于作用于介質(zhì)的兩個(gè)光電場(chǎng)先后次序?qū)O化強(qiáng)度P(2)無影響，所以[]的后兩個(gè)下標(biāo)具有對(duì)稱性，因而可以將[]表為矩陣形式（），式中i=1,2,3,n=1,2…6,從而只有18個(gè)分量12/25/2024非線性階數(shù)光學(xué)非線性效應(yīng)nn次諧波產(chǎn)生，nthharmonicgeneration(NHG)2光學(xué)整流,Rectification2和頻與差頻發(fā)生,Sum-anddifference-frequencygeneration2拉曼散射,Ramanscattering2布里淵散射,Brillouinscatteringnn-光子吸收(多光子吸收),n-photonabsorption2，3強(qiáng)度相關(guān)折射(非線性折射),Intensity-dependentrefraction2光學(xué)參量振蕩,Opticalparametricoscillation(OPO)3相