非线性光学pdf

‘壹’ 非线性光学效应有什么应用

有关非线性光学效应几方面比较成熟的应用、发展前景及学术意义：
(1)利用倍频和混频效应、可调谐光参量振荡以及受激散射等效应可产生强相干光辐射，开创了产生新的激光辐射光源的物理途径。它在许多实际工程技术中得到了较成熟的应用，人们正在利用这种途径来填补各类激光器件发射激光波长的空白光谱区。例如：
① 在光通讯技术中的应用。由于激光技术的出现，通过非线性光学效应获得的相干光的频带极其宽广，使其在通讯技术中由原来的微波电缆同时传送几十万路，到现在利用激光通讯的光缆可同时传送数百万路电话或几千万套电视节目，解决了无线电通讯的容量小、频带过分拥挤的难题。
②频率上转换效应在红外外差式探测器上的应用。红外接收是不可见的低频信号(s)和另一束可见的强激光(p)通过在晶体中混频，使红外信号频率上转到可见光频率，再经过光放大等过程实现了对红外信号的观察和探测。目前用此效应的红外探测器已得到普遍的应用。 (2)非线性光学的研究成果为光信息处理提供了新的方法和新的技术。
例如，一些染料在高功率激光束通过时发生自感透明效应已被用来设计时间很短的“光开关”。使用这种Q开关的激光器的输出功率可提高2—3个数量级。又如，光学双稳态效应的激光感应折射率变化用于信息存贮以及制成双稳态元件(双稳态光学开关、光学“三极管”放大元件、光学记亿元件等)；光学相位共扼效应用于波面畸变补偿等等。目前有些成果已得到实际应用。对非线性光学的深入研究，为集成光学、纤维光学、光学逻辑回路与光学计算机技术的发展提供了有关光信息处理与控制的新方法和新技术。
(3)非线性光学研究的学术价值及其深远的理论意义。
通过强光与物质相互作用的研究，可以获得有关物质的组成、结构、状态、能量耦合及转移、各种内部变化动力学过程的重要信息。这些信息可在不同程度上分别反映出物质的光学、电学、磁学、声学、力学、热学、化学、生物学等方面特性。利用强激光的作用，可以研究相变、超导、元激发、液晶、表面物理、高温等离子体等方面的问题；还可以使物质按人们所希望的方式发生各种变化，如加热、致冷、压缩、冲击、熔化、汽化、膨胀、同性素分离、光聚合、可控化学反应等。
强光光学(即非线性光学)本身就是物理学基础理论的发展。到目前为止虽然强光光学的发展尚未导致与近代物理学两大支柱(相对论和量子力学)不相符合或抵触之处，但并不排除这门学科在今后进一步的发展中会对已有的理论基础产生新的冲击的可能性。例如，目前在处理光与物质作用的量子力学或量子电动力学理论中，仍然是基于入射光对原子的作用是弱微扰这样一种前提，而采用数学上的微扰近似加以处理。如果说这种近似处理对弱光作用是基本适合的话，那么它对强光和超强光作用是否仍然适用?这显然是一个问题。又例如，在强脉冲激光的自聚焦效应和自感透明效应中曾发现运动的焦点的超光速运动和增益介质中自透明脉冲的超光速运动。对这些新问题进行深入研究，有助于加深对狭义相对论已有结论的认识和理解。目前，关于利用激光检测横向多L勒效应，探测引力波、加速粒子，研究真空中光子散射、天体黑洞，验证广义相对论效应等可能的讨论性和探索性工作正在进行之中。

‘贰’ 什么是非线性光学

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。

‘叁’ 非线性光学材料的分类

三阶非线性光学材料的范围很广。由于不受是否具有中心对称这一条件的限制，这些材料可以是气体、原子蒸气、液体、液晶、等离子体以及各类晶体、光学玻璃等，从其产生三阶非线性极化率的机制来说也可以很不相同。有些来源于原子或分子的电子跃迁或电子云形状的畸变；有些来源于分子的转向或重新排列；有些来源于固体的能带之间或能带以内的电子跃迁；有些来源于固体中的各种元激发，如激子、声子、各种极化激元等的状态改变。常见的三阶非线性光学材料有：①各种惰性气体，通常用于产生光学三次谐波、三阶混频，以获得紫外波长的相干光。②碱金属和碱土金属的原子蒸气,如Na、K、Cs原子及Ba、Sr、Ca原子等，通常用于产生共振的三阶混频、受激喇曼散射、相干反斯托克斯喇曼散射等效应（见受激光散射），以实现激光在近红外、可见及紫外波段间的频率变换及频率调谐。③各种有机液体及溶液，如CS2、硝基苯、各种染料溶液等,这些介质由于有较大的三阶非线性极化率，常用来进行各种三阶非线性光学效应的实验观测，例如光学克尔效应、受激布里渊散射、简并四波混频及光学位相复共轭效应、光学双稳态效应等都曾先后在这类介质中进行过实验研究。④在液晶相及各向同性相中的各种液晶。由于液晶分子的取向排列有较长的弛豫时间，故液晶的各种非线性光学效应有自己的特点，引起人们特殊的兴趣。例如曾用以研究光学自聚焦及非线性标准具等效应的瞬态行为。⑤某些半导体晶体。最近发现有些半导体，如lnSb，在红外区域有非常大的三阶非线性极化率，适合于做成各种非线性器件，例如光学双稳器件。

‘肆’ 非线性光学晶体的具体功能

非线性光学晶体是一种可以对激光束进行调制、调幅、调偏、调相的重要的光学晶体材料，是激光器中的一种重要材料。随着激光技术在工业、农业、军事、医学等领域中得到广泛应用，研制新型非线性光学晶体也成为国际光电子科技领域、新材料科技领域的前沿和热门课题。

20世纪60年代，美国贝尔实验室发现了铌酸锂晶体（LiNbO33），但由于该晶体具有严重的光感应折射变化，因此始终无法在较高功率激光器上作为倍频器件。70年代，美国杜邦公司中央实验室首次发现KTP晶体，但直到80年代才获得有工业应用价值的大尺寸KTP晶体。

自80年代以来，我国在非线性光学晶体材料的研制方面取得了长足进展。机电部209所首次研制出掺5％克分子的Mg：LiN-bO3晶体，使LiNbO3晶体的抗光损伤阈值提高到>10MW／cm2。该生长工艺当时被美国广泛采用。1989年该所成功研制出掺7％克分子的MgO：LiNbO3和rri：MgO：LiNbO3两种单晶，在保持高光学均匀性的同时，使晶体的抗光损伤阈值达到60MW／cm2。该晶体作为Nb：YAG激光腔内倍频晶体，其输出效率达61％，为同类晶体的国际最高水平。

中国科学院福建物质结构研究所经过多年的实验研究，于1984年正式宣布发现BBO晶体。该晶体的倍频系数是KDP晶体的4倍，相匹配范围可达到2．6μ～400nm（基波），紫外区的最短输出波长为189nm，从而满足了科学家们对400～20nm紫外区相干辐射的多方面的需要。因此，当时被国际激光科技界推崇为在光电子技术领域内可与大功率半导体激光器相提并论的最有意义的进展之一。随后，该所又推出一种更新的非线性光学晶体——LBO。这种晶体的出现解决了KIP、MgO：LiNbO3晶体不能用于强激光（>100MW／cm2）倍频的困难，并克服了BBO晶体的某些缺点，成为又一个有重要实用价值的新晶体。

在此基础上，中国科学院福建物质结构研究所于1989年，采用“晶体非线性光学效应离子基团理论”，系统地计算和研究了硼酸盐体系的基因结构和微观倍频效应、晶体紫外区吸收边的相互关系。在此理论研究的基础上通过化学合成、物化分析、晶体生长和系统的光学、电学测试，终于发明了一种具有很大实用价值的新型非线性光学晶体材料——三硼酸锂（LiB3O3）。该晶体在近红外、可见光和紫外波段高功率脉冲激光及高平均功率激光的倍频、和频、参量振荡和放大器件，腔内倍频器件等方面有广泛的用途。美国《激光和电光》杂志将这项发明评为1989年度国际十大高技术产品之一，井已在国内外一些实验室及激光工业界广泛使用。

新型非线性光学晶体三硼酸锂的研究成功，进一步促进了国内外研究硼酸盐非线性光学晶体材料与激光器件的深人发展。

‘伍’ 非线性光学材料哪本书比较好小木虫

你要是想知道学非线性光学的基础科目的话，我倒是学过

1)最重要的是《激光原理》，其实非线性光学就是在激光发现之后才有的飞速飞跃。而且里面的很多东西初步的解释完全是依靠激光原理。而关于书，建议你别看周炳琨的，他那个更像是教人做激光器的，意大利人Sevelto的《Principle of lasers》很不错，当当上有。
2)如果你想了解非线性光学其中的本质原因，那么建议你重新复习一下量子力学。整套的关于非线性光学解释来源于量子力学。曾谨言大神的量子力学绝对是你的不二选择(PS如果你是理科生就看看，是工科生的话，还是建议你不用看了，要不会很浪费时间)
3)一些光学的基础知识，就不用多说了，啥书都差不多
4)固体物理基础。非线性光学本身就是研究的材料的非线性性质，所以你要是想了解这些物质为什么会有非线性性质的话，可以学学(当然，固体物理也需要量子力学做基础)

相关联的科目就这些，给你推荐两本非线性光学的书，不过我只看过英文的:
1)GEOFFREY NEW的introction to nonlinear optics，浅显易懂，你没看过上面的那些书也看医学会非线性光学
2)Robert W. Boyd的Nolinear optics，这是非线性光学入门人的网络全书。当然，对你的基础要求也会高一些，已经出到了第三版。

就是这些，不知道你满意否?

‘陆’ 非线性光学的应用

从技术领域到研究领域，非线性光学的应用都是十分广泛的。例如：①利用各种非线性晶体做成电光开关和实现激光的调制。②利用二次及三次谐波的产生、二阶及三阶光学和频与差频实现激光频率的转换，获得短至紫外、真空紫外，长至远红外的各种激光；同时，可通过实现红外频率的上转换来克服在红外接收方面的困难。③利用光学参量振荡实现激光频率的调谐。与倍频、混频技术相结合已可实现从中红外一直到真空紫外宽广范围内调谐。④利用一些非线性光学效应中输出光束所具有的位相共轭特征，进行光学信息处理、改善成像质量和光束质量。⑤利用折射率随光强变化的性质做成非线性标准具和各种双稳器件。⑥利用各种非线性光学效应，特别是共振非线性光学效应及各种瞬态相干光学效应，研究物质的高激发态及高分辨率光谱以及物质内部能量和激发的转移过程及其他弛豫过程等。

‘柒’ 初学者学习非线性光学看什么教材好…自学用

钱士雄的《非线性光学——原理与进展》不错
另外李淳飞的《非线性光学》也很不错，比较薄，适合自己看看。

‘捌’ 非线性光学材料的介绍

非线性光学材料就是那些光学性质依赖于入射光强度的材料，非线性光学性质也被称为强光作用下的光学性质，主要因为这些性质只有在激光这样的强相干光作用下才表现出来。

‘玖’ 非线性光学材料的简介

利用非线性光学晶体的倍频、和频、差频、光参量放大和多光子吸收等非线性过程可以得到频率与入射光频率不同的激光，从而达到光频率变换的目的。
这类晶体广泛应用于激光频率转换、四波混频、光束转向、图象放大、光信息处理、光存储、光纤通讯、水下通讯、激光对抗及核聚变等研究领域。
我国在非线性光学晶体研制方面成绩卓着，某些晶体处于世界领先地位。