[拼音]：feixianxing guangxue

[外文]：nonlinear optics

研究介質(zhì)在強相干光作用下出現(xiàn)的與介質(zhì)的非線性極化相聯(lián)系的各種光學(xué)效應(yīng)，以及如何利用這些效應(yīng)的學(xué)科。

光與物質(zhì)的線性相互作用

過去的光學(xué)理論認為，介質(zhì)的極化強度與入射光波的場強成正比。于是，表征物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的許多參數(shù)，如折射率、吸收系數(shù)等都是與光強無關(guān)的常量。普遍的光學(xué)實驗證實，單一頻率的光通過透明介質(zhì)后頻率不會發(fā)生任何變化，不同頻率的光之間不會發(fā)生相互耦合作用。激光出現(xiàn)后的短短的幾年內(nèi)，人們觀察到許多用過去的光學(xué)理論無法解釋的新效應(yīng)。為了解釋這些新效應(yīng)，產(chǎn)生了非線性光學(xué)理論。

光與物質(zhì)的非線性相互作用

光波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的極化強度矢量P與光波的場強E之間的關(guān)系可表示為

式中X，X，X，…，分別稱為介質(zhì)的一階、二階、三階、…電極化率，它們通常都是張量。對常用的晶體，X≈10^-9esu，X≈10^-14 esu。普遍光源的相干性很差，亮度低，高次方項的影響可以忽略，介質(zhì)的極化強度與入射光波的場強成正比。

激光是極強的相干光，高度比普遍光高幾十億倍，場強高次方項對介質(zhì)極化的影響不能忽略。由麥克斯韋方程可導(dǎo)出包括光波場強高次方項作用在內(nèi)的非線性波動方程組。這樣，大部分新的光學(xué)現(xiàn)象都可以得到滿意的解釋。例如，若只考慮二次項的標(biāo)量形式，則頻率為v的光E＝E₀sin(2πvt)射入介質(zhì)，極化強度

因此，介質(zhì)極化中有相當(dāng)于入射光頻率二倍的成分，相應(yīng)的電磁輻射中就有頻率為2v的光出現(xiàn)。

已觀察到的非線性光學(xué)效應(yīng)主要有光二倍頻、和頻、差頻、光參量振蕩（放大）、高次倍頻、自聚焦、自透明等。

和頻

頻率為v₁和v₂的兩束光（其中至少有一束是激光）同時入射到某些介質(zhì)中時，產(chǎn)生頻率為v=v₁+v₂的光束。

差頻

頻率為v₁和v₂(v₁＞v₂)的兩束光(其中至少有一束是激光) 同時入射到某些介質(zhì)中時，產(chǎn)生頻率為v₃＝v₁－v₂的光束。

高次倍頻

頻率為 v的激光入射到某些介質(zhì)中時，產(chǎn)生頻率為3v 的激光。這種現(xiàn)象稱為三倍頻，或稱為三次諧波發(fā)生。類似的還有四倍頻、五倍頻等。

自聚焦

在強激光作用下，介質(zhì)的折射率不再是一個常量，而與光強有關(guān)。這可能使平行的激光束射入介質(zhì)后會聚成一束細絲，且以這種細絲狀在介質(zhì)中繼續(xù)傳播。

自透明

在強激光作用下介質(zhì)的吸收系數(shù)減小，即對某些頻率的弱光輻射是不透明的介質(zhì)，對同樣頻率的強激光則變成透明的。

此外，非線性光學(xué)現(xiàn)象還有雙光子吸收、多光子吸收、多光子電離、多光子熒光、位相復(fù)共軛、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)、受激喇曼散射、受激布里淵散射、受激瑞利散射等。

應(yīng)用

非線性光學(xué)不僅從理論上豐富了人們對光與物質(zhì)相互作用的認識，而且已經(jīng)得到廣泛的實際應(yīng)用。例如，光倍頻、光參量振蕩、受激喇曼散射已成為產(chǎn)生新頻率相干輻射的一種有效方法；利用非線性飽和吸收已制成染料Q開關(guān)和被動鎖模元件。此外，它在激光光譜學(xué)、同位素分離、光控化學(xué)反應(yīng)、核聚變、集成光學(xué)、信息光學(xué)、光學(xué)計算機等方面都有重要的作用。

參考書目

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

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標(biāo)簽：非線性光學(xué)

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文章名稱：《非線性光學(xué)》

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