皖西学院：《化工原理》课程教学资源（小常识）非线性光学的概念 nonlinear optics

非线性光学nonlinearoptics现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理（见光的独立传播原理）。在上述条件下研究光学问题称为线性光学。对很强的激光，例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强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。介质极化率P与场强的关系可写成P=α1E+α2E2+α3E3+...非线性效应是项及更高幂次项起作用的结果。常见非线性光学现象有：①光学整流。E2项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的极化电荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关，类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。②产生高次谐波。弱光进入介质后频率保持不变。强光进入介质后，由于介质的非线性效应，除原来的频率w外，还将出现2w、3w、....等的高次谐波。1961年美国的P.A弗兰肯和他的同事们首次在实验上观察到二次谐波。他们把红宝石激光器发出的3千瓦红色（6943埃）激光脉冲聚焦到石英晶片上，观察到了波长为3471.5埃的紫外二次谐波。若把一块锯酸锁钠晶体放在1瓦、1.06微米波长的激光器腔内，可得到连续的1瓦二次谐波激光，波长为5323埃。非线性介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用。③光学混频。当两束频率为w1和w2（w1>w2）的激光同时射入介质时，如果只考虑极化强度P的二次项，将产生频率为w1十w2的和频项和频率为w1一w2的差频项。利用光学混频效应可制作光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可发射从红外到紫外的相干辐射。④受激拉曼散射。普通光源产生的拉曼散射是自发拉曼散射，散射光是不相干的。当入射光采用很强的激光时，由于激光辐射与物质分子的强烈作用，使散射过程具有受激辐射的性质，称受激拉曼散射。所产生的拉曼散射光具有很高的相于性，其强度也比自发拉曼散射光强得多。利用受激拉曼散射可获得多种新波长的相干辐射，并为深入研究强光与物质相互作用的规律提供手段。自聚焦。介质在强光作用下折射率将随光强的增加而增大。激光束的强度具有高斯分布，光强在中轴处最大，并向外围递减，于是激光束的轴线附近有较大的折射率，像凸透镜一样光束将向轴线自动会聚，直到光束达到一细丝极限（直径约5×10-6米），并可在这细丝范围内产生全反射，犹如光在光学纤维内传播一样。③光致透明。弱光下介质的吸收系数（见光的吸收）与光强无关，但对很强的激光，介质的吸收系数与光强有依赖关系，某些本来不透明的介质在强光作用下吸收系数会变为零。研究非线性光学对激光技术、光谱学的发展以及物质结构分析等都有重要意义。常用的二阶非线性光学晶体有磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氢铵（ADP）、磷酸二

非线性光学 nonlinear optics 现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。激光问世之 前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无 关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理（见光 的独立传播原理）。在上述条件下研究光学问题称为线性光学。对很强的激光，例如当光波 的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映 介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强 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。介质极化率 P 与场强的关系可写成 P＝α1E＋α2E2＋α3E3＋. 非线性效应是 E 项及更高幂次项起作用的结果。 常见非线性光学现象有：①光学整流。E2 项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的 极化电荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关，类似于交流电经整流管整流 后得到直流电压。②产生高次谐波。弱光进入介质后频率保持不变。强光进入介质后，由于 介质的非线性效应，除原来的频率 ω 外，还将出现 2ω、3ω、.等的高次谐波。1961 年 美国的 P.A.弗兰肯和他的同事们首次在实验上观察到二次谐波。他们把红宝石激光器发出 的 3 千瓦红色（6943 埃）激光脉冲聚焦到石英晶片上，观察到了波长为 3471.5 埃的紫外 二次谐波。若把一块铌酸钡钠晶体放在 1 瓦、1.06 微米波长的激光器腔内，可得到连续的 1 瓦二次谐波激光，波长为 5323 埃。非线性介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用。 ③光学混频。当两束频率为 ω1 和 ω2（ω1＞ω2）的激光同时射入介质时，如果只考虑极 化强度 P 的二次项，将产生频率为 ω1＋ω2 的和频项和频率为 ω1－ω2 的差频项。利用光 学混频效应可制作光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可 发射从红外到紫外的相干辐射。④受激拉曼散射。普通光源产生的拉曼散射是自发拉曼散射， 散射光是不相干的。当入射光采用很强的激光时，由于激光辐射与物质分子的强烈作用，使 散射过程具有受激辐射的性质，称受激拉曼散射。所产生的拉曼散射光具有很高的相干性， 其强度也比自发拉曼散射光强得多。利用受激拉曼散射可获得多种新波长的相干辐射，并为 深入研究强光与物质相互作用的规律提供手段。⑤自聚焦。介质在强光作用下折射率将随光 强的增加而增大。激光束的强度具有高斯分布，光强在中轴处最大，并向外围递减，于是激 光束的轴线附近有较大的折射率，像凸透镜一样光束将向轴线自动会聚，直到光束达到一细 丝极限（直径约 5×10-6 米），并可在这细丝范围内产生全反射，犹如光在光学纤维内传播 一样。⑥光致透明。弱光下介质的吸收系数（见光的吸收）与光强无关，但对很强的激光， 介质的吸收系数与光强有依赖关系，某些本来不透明的介质在强光作用下吸收系数会变为 零。 研究非线性光学对激光技术、光谱学的发展以及物质结构分析等都有重要意义。 常用的二阶非线性光学晶体有磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氢铵（ADP）、磷酸二

氛钾（KD*P）、锯酸钡钠等。此外还发现了许多三阶非线性光学材料

氘钾(KD*P)、铌酸钡钠等。此外还发现了许多三阶非线性光学材料