激光器的设计与制作 半导体激光技术
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非线性光学 研究非线性光学的意义 非线性光学的研究内容 非线性光学的发展历史和发展趋势 非线性光学的典型应用 典型的非线性光学过程
2 非线性光学 ➢ 研究非线性光学的意义 ➢ 非线性光学的研究内容 ➢ 非线性光学的发展历史和发展趋势 ➢ 非线性光学的典型应用 ➢ 典型的非线性光学过程
非线性光学的意义 ◆非线性物理学是现代物理学的重要基石。 非线性物理学和量子力学、相对论一起构成了现代物理学 的基石。它是研究物质间在强相互作用下普遍存在的非线性 现象,也就是研究作用与响应之间的关系是非线性的现象。 光学:光的发射、传播以及光与物质相互作用的学科。 ●非线性光学是非线性物理学的分支学科 非线性光学研究强光与物质相互作用的规律,极大地丰富 了非线性物理学的内容。 激光是强光源。 ●非线性光学是现代光学的分支学科 基于自发辐射的普通光源的光学称之为“传统光学”; 基于受激辐射的激光光源的光学称之为“现代光学”。3
3 非线性物理学和量子力学、相对论一起构成了现代物理学 的基石。它是研究物质间在强相互作用下普遍存在的非线性 现象，也就是研究作用与响应之间的关系是非线性的现象。 ◆非线性物理学是现代物理学的重要基石。 非线性光学的意义 ⚫ 非线性光学是非线性物理学的分支学科 ⚫ 非线性光学是现代光学的分支学科 光学：光的发射、传播以及光与物质相互作用的学科。 激光是强光源。 基于自发辐射的普通光源的光学称之为“传统光学” ； 基于受激辐射的激光光源的光学称之为“现代光学” 。 非线性光学研究强光与物质相互作用的规律，极大地丰富 了非线性物理学的内容
表1.1.1现代光学分支学科的研究对象和主要应用 分支学科 研究对象 圭要应用 激光物理学激光器理论以及提高激光品质/音种工作物质和各种脉宽的激光器 的方法 系统设计;调Q、锁模、放大、调制、调 频、谱宽压缩、偏振控制等技术 非线性光学|激光与物质相互作用产生非线|脉宽压缩;频率转换;全光开关;消畸 性效应 变传输;光孤子通信;数字光计算;激 光光谱,非线性光存储等 傅里叶光学傅里叶光学理论及光学信息处全息照相全息商标全息存储;光学 理应用 图像处理:特征识别、边沿增强等;模 拟光学计算,信息安全技术等 辱故光学光在光纤和平面波导中的传/光纤与平面光波导的制备;有源与无 与控制 源波导器件;光束与波导、波导与波 导间的耦合;色散、损耗、偏振控制等 量子光学非经典光学现象与原子发光盘/利用压缩态抑制光通信噪声;利用量 子理论 子纠缠态实现量子密码保密通信;量 子信息处理,量子计算,量子存储等
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非线性光学的研究内容 非线性光学是研究激光与物质相互作用的学科 非线性光学现象是高阶极化现象 激光问世之前,人们对光学的认识主要限于线性光学 >光束在介质中的传播是相互独立的; 光的频率在传播过程中不会发生变化; >介质的折射率,吸收系数等和入射光的光强无关,只是入 射光的频率和偏振的函数 介质的极化强度与光波的电场强度成正比 P=CXE
激光问世之前，人们对光学的认识主要限于线性光学： ➢ 光束在介质中的传播是相互独立的； ➢ 光的频率在传播过程中不会发生变化； ➢ 介质的折射率，吸收系数等和入射光的光强无关，只是入 射光的频率和偏振的函数 介质的极化强度与光波的电场强度成正比 非线性光学是研究激光与物质相互作用的学科 • 非线性光学现象是高阶极化现象 P E 0 = 非线性光学的研究内容
对很强的激光,光波的电场强度可与原子内部的库仑场相 比拟,媒质极化强度不仅与光场场强E的一次方有关,而 且还决定于E的更高幂次项,从而导致线性光学中不明显 的许多新现象一非线性光学效应。 P=60(xE+x2E2+xE+.) 光对媒质的作用 媒质响应 非线性关系
对很强的激光，光波的电场强度可与原子内部的库仑场相 比拟，媒质极化强度不仅与光场场强E的一次方有关，而 且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显 的许多新现象－非线性光学效应。 非线性关系 光对媒质的作用 媒质响应 (1) (2) 2 (3) 3 0 P E E E = + + + ( ...)
非线性光学与线性光学的区别 线性光学 非线性光学 光在介质中传播,通过干涉、衍射、折射可 定频率的入射光,可以通过与介质的相 以改变光的空间能量分布和传播方向但互作用而转换成其他频率的光(倍频等), 与介质不发生能量交换不改变光的频率还可以产生一系列在光谱上周期分布的 不同频率和光强的光(受激拉曼散射等) 多束光在介质中交叉传播,不发生能量相 多束光在介质中交叉传播,可能发生能量 互交换,不改变各自的频率 相互转移,改变各自频率或产生新的频率 (三波与四波混频) 光与介质相互作用不改变介质的物理参光与介质相互作用,介质的物理参量如极 量,这些物理参量只是光频的函数,与光|化率吸收系数折射率等悬光场强度的 场强度变化无关 聚焦) 光束通过光学系统人射光强与透射光/光束通过光学系统人射光强与透射光强 之间一般成线性关系 之间呈非线性关系,从而实现光开关(光 限制、光学双稳、各种干涉仪开关) 多束光在介质中交叉传播各光束的相位光束之间可以相互传递相位信息而且两 信息彼此不能相互传递 束光的相位可以互相共轭(光学相位共 轭)
• 非线性光学与线性光学的区别
●非线性光学效应的分类 按照激光与介质相互作用的方式,可以分为被动非线性 光学效应和主动非线性光学效应。 被动非线性光学效应:光与介质之间无能量交换;只是 在不同频率的光之间进行能量交换。如倍频过程,参量 过程,四波混频等。 主动非线性光学效应:光与介质之间有能量交换;介质 的光学参量与光场强度有关。如非线性吸收——饱和吸 收,双光子吸收;非线性散射——一受激拉曼散射,受激 布里渊散射等
8 ⚫ 非线性光学效应的分类 按照激光与介质相互作用的方式，可以分为被动非线性 光学效应和主动非线性光学效应。 被动非线性光学效应：光与介质之间无能量交换；只是 在不同频率的光之间进行能量交换。如倍频过程，参量 过程，四波混频等。 主动非线性光学效应：光与介质之间有能量交换；介质 的光学参量与光场强度有关。如非线性吸收——饱和吸 收，双光子吸收；非线性散射——受激拉曼散射，受激 布里渊散射等
非线性光学的发展历史 非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期 >1961~1965年:初期创立阶段 非线性光学效应大量而迅速地出现:光学谐波、 光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸 收、光束自聚焦以及受激光散射等。 >1965~1985年:发展成熟阶段 继续发现新的非线性光学效应:非线性光谱方 面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等; 对已发现的效应进行更深入的了解,并发展各 种非线性光学器件
非线性光学的发展历史 • 非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期 ➢ 1961～1965年：初期创立阶段 非线性光学效应大量而迅速地出现：光学谐波、 光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸 收、光束自聚焦以及受激光散射等。 ➢ 1965～1985年：发展成熟阶段 继续发现新的非线性光学效应：非线性光谱方 面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等； 对已发现的效应进行更深入的了解，并发展各 种非线性光学器件
非线性光学的发展历史 >1985年代至今:应用阶段 从固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体 原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效 应研究; °由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五 阶以至更高阶效应的研究; 由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研 究; 就时间范畴而言,则由纳秒进入皮秒、飞秒领 域
非线性光学的发展历史 ➢ 1985年代至今：应用阶段 • 从固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体 、原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效 应研究； • 由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五 阶以至更高阶效应的研究； • 由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研 究； • 就时间范畴而言，则由纳秒进入皮秒、飞秒领 域
