什么是非线性光学?

什么是非线性光学?

[拼音]：feixianxing guangxue

[外文]：nonlinear optics

研究介质在强相干光作用下出现的与介质的非线性极化相联系的各种光学效应，以及如何利用这些效应的学科。

光与物质的线性相互作用

过去的光学理论认为，介质的极化强度与入射光波的场强成正比。于是，表征物质光学性质的许多参数，如折射率、吸收系数等都是与光强无关的常量。普遍的光学实验证实，单一频率的光通过透明介质后频率不会发生任何变化，不同频率的光之间不会发生相互耦合作用。激光出现后的短短的几年内，人们观察到许多用过去的光学理论无法解释的新效应。为了解释这些新效应，产生了非线性光学理论。

光与物质的非线性相互作用

光波在介质中传播时，介质的极化强度矢量P与光波的场强E之间的关系可表示为

式中X


，X


，X


，…，分别称为介质的一阶、二阶、三阶、…电极化率，它们通常都是张量。对常用的晶体，X


≈10-9esu，X


≈10-14 esu。普遍光源的相干性很差，亮度低，高次方项的影响可以忽略，介质的极化强度与入射光波的场强成正比。

激光是极强的相干光，高度比普遍光高几十亿倍，场强高次方项对介质极化的影响不能忽略。由麦克斯韦方程可导出包括光波场强高次方项作用在内的非线性波动方程组。这样，大部分新的光学现象都可以得到满意的解释。例如，若只考虑二次项的标量形式，则频率为v的光E＝E0sin(2πvt)射入介质，极化强度

因此，介质极化中有相当于入射光频率二倍的成分，相应的电磁辐射中就有频率为2v的光出现。

已观察到的非线性光学效应主要有光二倍频、和频、差频、光参量振荡（放大）、高次倍频、自聚焦、自透明等。

和频

频率为v1和v2的两束光（其中至少有一束是激光）同时入射到某些介质中时，产生频率为v=v1+v2的光束。

差频

频率为v1和v2(v1＞v2)的两束光(其中至少有一束是激光) 同时入射到某些介质中时，产生频率为v3＝v1－v2的光束。

高次倍频

频率为 v的激光入射到某些介质中时，产生频率为3v 的激光。这种现象称为三倍频，或称为三次谐波发生。类似的还有四倍频、五倍频等。

自聚焦

在强激光作用下，介质的折射率不再是一个常量，而与光强有关。这可能使平行的激光束射入介质后会聚成一束细丝，且以这种细丝状在介质中继续传播。

自透明

在强激光作用下介质的吸收系数减小，即对某些频率的弱光辐射是不透明的介质，对同样频率的强激光则变成透明的。

此外，非线性光学现象还有双光子吸收、多光子吸收、多光子电离、多光子荧光、位相复共轭、光学双稳态、受激喇曼散射、受激布里渊散射、受激瑞利散射等。

应用

非线性光学不仅从理论上丰富了人们对光与物质相互作用的认识，而且已经得到广泛的实际应用。例如，光倍频、光参量振荡、受激喇曼散射已成为产生新频率相干辐射的一种有效方法；利用非线性饱和吸收已制成染料Q开关和被动锁模元件。此外，它在激光光谱学、同位素分离、光控化学反应、核聚变、集成光学、信息光学、光学计算机等方面都有重要的作用。

参考书目

N.Bloembergen，Nonlinear Optics，W. A. Benjamin，New York，1965.