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1、35物理與工程Vol.14No.22004非線性光學效應及其應用12張粉英張勇1(揚州教育學院物理系,江蘇揚州225007)2(東南大學物理系,江蘇南京210096)(收稿日期:2003209221)摘要以介質的非線性電極化理論為基礎討論幾種典型非線性光學效應及其應用,并采用量子力學的概念給出非線性光學效應的物理圖像.關鍵詞非線性光學;電極化;光倍頻;光學共軛NONLINEAROPTICALEFFECTANDITSAPPLICATION12ZhangFenyingZhangYong(1DepartmentofPhysics,YangzhouCollegeofEducation,Yang
2、zhou225007)(2DepartmentofPhysicsSoutheastUniversity,Nanjing210096)AbstractInthispaper,wedisscussedsometypicalexamplesaboutnonlinearopticaleffectbasedonthenonlinearpolarizationtheoryofmedium,introduceditsapplicationandprinciples,studieditsmechanismusingquantummechanics.KeyWordsnonlinearoptics;pol
3、arization;doublefrequency;opticalconjugate非線性光學研究相干光與物質相互作用時出性關系,即現的各種新現象的產生機制、過程規(guī)律及應用途P=ε0(χ1E+χ2EE+χ3EEE+?)(1)徑,是在激光出現后迅速發(fā)展起來的光學的一個式中χ1,χ2,χ3分別稱為介質的一階(線性)、二新分支.非線性光學的研究在激光技術、光通信、階、三階(非線性)極化率.研究表明χ1,χ2,χ3?信息和圖像的處理與存儲、光計算等方面有著重依次減弱,在普通光入射情況下,二階以上的電極要的應用,具有重大的應用價值和深遠的科學意化強度均可忽略,介質只表現出線性光學性質.而當用單色
4、強激光入射,光場強度
5、E
6、的數量級可義.本文在介紹非線性光學效應基本理論的基礎與
7、E0
8、(
9、E0
10、為原子內平均電場強度大小)相比上,著重討論幾種典型非線性光學效應及其在科或者接近,二階或三階電極化強度的貢獻不可忽學研究和工程技術中的應用.略,就會產生非線性光學效應.既然介質中的感應電偶極子輻射出新的光1光場與介質相互作用的基本理論波,產生非線性光學效應,那么新光波的光矢量如何由電極化強度決定呢?這可以從麥克斯韋方程1.1介質的非線性電極化理論組推導出的波動方程加以說明.在入射光場作用下,組成介質的原子、分子或1.2光與介質非線性作用的波動方程離子的運動狀態(tài)和電荷分布都要發(fā)生一定形式的對
11、于非磁性絕緣透明光學介質而言,麥克斯變化,形成電偶極子,產生電偶極矩并進而輻射出韋方程組為新的光波.在此過程中,介質的電極化強度矢量P5D¨×H=(2)是一個重要的物理量.P與入射光矢量E成非線5t36物理與工程Vol.14No.220045H粒子在中間狀態(tài)(虛能級)上停留的時間將趨于無¨×E=-μ0(3)5t窮短.¨·B=0(4)¨·D=0(5)2幾種典型非線性光學效應及其應用式(2)和式(5)中的電位移矢量D為D=ε0E+P,代入式(2)有2.1光學變頻效應¨×5E5P不同頻率的光波之間進行能量變換,引起頻H=ε0+5t5t率轉換的各種混頻現象叫做光學變頻效應.光學兩端對時間求導,
12、有變頻效應包括由介質的二階非線性電極化所引起22¨×5H=ε05E+5P(6)的光學倍頻、光學和頻與差頻效應、光學參量放大5t225t5t與振蕩效應,還包括由介質的三階非線性電極化對式(3)兩端求旋度,有¨×(¨×E)=-μ0¨×所引起的四波混頻效應.5H以光學倍頻效應為例說明光學變頻效應.假5t設入射光的光場為E=E0cosωt,若晶體的二階將矢量公式¨×(¨×E)=¨(¨·E)-非線性極化率χ2不為零,則取前兩項電極化強度2(¨·¨)E=-¨E代入式(6)有為2225E5PP=ε2)¨E=μ0ε02+μ02(7)0(χ1E+χ2E5t5t22=χ1ε0E0cosωt+χ2ε0E0c
13、osωt上式表明:當介質的電極化強度P隨時間變化且21χε21χε2ω5P=χ1ε0E0cosωt+20E0+20E0cos2t2≠0時,介質就像一個輻射源,向外輻射新的225t(8)光波,新光波的光矢量E由方程(7)決定.式中第一項激發(fā)出頻率不變的出射光波,第二項1.3非線性光學的量子理論解釋導致光學整流,第三項則導致二次諧波,即產生了采用量子電動力學的基本概念去解釋各種非倍頻光.線性光學現象,既能充分反映強激光場的相干波光學倍頻現象的實質,
