三階非線性光學(xué)效應(yīng).ppt

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1、第5章三階非線性光學(xué)效應(yīng)5.1克爾效應(yīng)與自聚焦現(xiàn)象5.2三次諧波產(chǎn)生5.3四波混頻5.4雙光子吸收5.5受激喇曼散射（SRS）5.6受激布里淵散射（SBS）5.7受激光散射現(xiàn)象的一般考慮5.1克爾效應(yīng)與自聚焦現(xiàn)象5.1.1克爾效應(yīng)1.克爾效應(yīng)克爾（Kerr）在1875年發(fā)現(xiàn):線偏振光通過外加電場作用的玻璃時(shí),會(huì)變成橢圓偏振光,如圖5.1-1所示,當(dāng)旋轉(zhuǎn)檢偏器時(shí),輸出光不消失。作用下,由原來的各向同性變成了光學(xué)各向異性,外加電場感應(yīng)引起了雙折射,其折射率的變化與外加電場的平方成正比,這就是著名的克爾效應(yīng)。圖5.1-1克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖從非線性光學(xué)的角度來看,克爾效應(yīng)是外加恒定

2、電場和光電場在介質(zhì)中通過三階非線性極化率產(chǎn)生的三階非線性極化效應(yīng)。假定介質(zhì)受到恒定電場E0和光電場Eexp(iωt)+c.c.的作用,按(1.1-39)式和(1.1-41)式有(5.1-1)這表示由于三階非線性極化的作用,恒定電場的存在使得介質(zhì)的介電張量元素改變了,且(5.1-2)因子3是由于考慮了三階極化率張量元素的本征對易對稱性出現(xiàn)的。2.光克爾效應(yīng)現(xiàn)在進(jìn)一步討論用另一光電場代替恒定電場E0的光克爾效應(yīng)。假定頻率為ω的光電場作用于介質(zhì)的同時(shí),還有另一束任意頻率為ω′的光電場作用于該介質(zhì),則由于ω′光電場的作用,會(huì)使介質(zhì)對ω光波的作用有所改變。通過三階非線性極化效應(yīng),將

3、產(chǎn)生與頻率為ω′光電場平方有關(guān)的三階非線性極化強(qiáng)度的復(fù)振幅P(3)(ω)為(5.1-3)假定頻率為ω的光波沿z方向傳播,由(5.1-3)式可得(5.1-5)對于偏振方向與頻率ω‘光波相平行的光電場來說：對于偏振方向與頻率ω‘光波相垂直的光電場來說：克爾效應(yīng)可以提供一種改變光波偏振狀態(tài)的方法。例如，通常使用的非線性介質(zhì)硝基苯，沒有恒定電場時(shí)，在光學(xué)上是各向同性的。當(dāng)外加恒定電場后，它就具有各向異性晶體的性質(zhì)。這時(shí)，與E平行和垂直的光波通過它是，便產(chǎn)生相位差：因?yàn)椋鱪與E02成正比，所以相位差可以通過改變E0調(diào)節(jié)，其結(jié)果可以使得入射線偏振光的振動(dòng)面轉(zhuǎn)過90度，或者使其變?yōu)闄E圓

4、偏振光。圖5.1-2光克爾效應(yīng)開關(guān)這種開關(guān)的速度取決于樣品對激光場的響應(yīng)時(shí)間，一般很短，可達(dá)ps。5.1.2激光束的自聚焦現(xiàn)象上述的光克爾效應(yīng)中，光波的頻率ω與產(chǎn)生效應(yīng)的光波頻率ω’不相同，實(shí)際上，一束強(qiáng)的光波本身就能起到產(chǎn)生該效應(yīng)的光波作用。自聚焦是感生透鏡效應(yīng),這種效應(yīng)是由于通過非線性介質(zhì)的激光束的自作用使其波面發(fā)生畸變造成的?，F(xiàn)假定一束具有高斯橫向分布的激光在介質(zhì)中傳播,此時(shí)介質(zhì)的折射率為其中,Δn(E2)是由光強(qiáng)引起的折射率變化。如果△n是正值，由于光束中心部分的光強(qiáng)較強(qiáng)，則中心部分的折射率變化較邊緣部分的變化大，因此，光束在中心比邊緣的傳播速度慢，結(jié)果是戒指中傳播

5、的光束波面越來越畸變，如圖所示。這種畸變好像是光束通過正透鏡一樣，光線本身呈現(xiàn)自聚焦現(xiàn)象。圖5.1-3光束在非線性介質(zhì)中的光線路徑（虛線為波面,實(shí)線為光線）但是，由于具有有限截面的光束還要經(jīng)受衍射作用，所以只有自聚焦效應(yīng)大于衍射效應(yīng)時(shí)，光才表現(xiàn)出自聚焦現(xiàn)象。粗略地說，自聚焦效應(yīng)正比于光強(qiáng)，衍射效應(yīng)反比于光束半徑的平方，因此，由于光束收自聚焦作用，自聚焦效應(yīng)和衍射效應(yīng)均越來越強(qiáng)。如果后者增強(qiáng)的較快，則在某一點(diǎn)處衍射效應(yīng)克服自聚焦效應(yīng)，在達(dá)到某一最小截面（焦點(diǎn)）后，自聚焦光束將呈現(xiàn)出衍射現(xiàn)象。但是在許多情況下，一旦自聚焦作用開始，自聚焦效應(yīng)總是強(qiáng)于衍射效應(yīng)，因此光束自聚焦的作

6、用一直進(jìn)行著，直至由于其他非線性光學(xué)作用使其終止。使自聚焦作用終止的非線性光學(xué)作用有：受激喇曼散射、受激布里淵散射、雙光子吸收和光損傷等。當(dāng)自聚焦效應(yīng)和衍射效應(yīng)平衡時(shí)，將出現(xiàn)一種有趣的現(xiàn)象，即光束自陷，表現(xiàn)為光束在介質(zhì)中傳輸相當(dāng)長的距離，其光束直徑不發(fā)生改變。實(shí)際上，光束自陷是不穩(wěn)定的，因?yàn)槲栈蛏⑸湟鸬募す夤β蕮p失都可以破壞自聚焦和衍射之間的平衡，引起光束的衍射。與自聚焦效應(yīng)相反，如果由光強(qiáng)引起的折射率變化△n是負(fù)值，則會(huì)導(dǎo)致光束自散焦，趨向于使高斯光束產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度更加均勻分布的光束，這種現(xiàn)象為光模糊效應(yīng)。光強(qiáng)分布引起折射率變化還會(huì)造成光的群速度變化,圖5.1-4表示一

7、時(shí)域高斯光脈沖在非線性介質(zhì)中傳播一定距離后,脈沖后沿變陡的現(xiàn)象。這是由于脈沖峰值處折射率大,光速慢，而在后沿,光強(qiáng)逐漸下降,光速逐漸增大,以致后面部分的光“趕上”前面部分的光,造成光脈沖后沿變陡。這就是光脈沖的自變陡現(xiàn)象。圖5.1-4光脈沖在非線性介質(zhì)中的自變陡現(xiàn)象自聚焦現(xiàn)象的研究始于1964年,促使對這種現(xiàn)象的研究主要有以下兩個(gè)因素:（1）高功率密度激光在透明介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生所謂的絲狀破壞。（2）在研究受激喇曼散射過程中觀察到一些反?，F(xiàn)象,如許多固體和液體中,受激喇曼散射有一個(gè)非常尖銳的閾值,有異常高的增益,前