非線性光學(xué)概要及光電子器件第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二一、光與物質(zhì)相互作用的機理

當(dāng)光照射物質(zhì)時，光波電磁場將對物質(zhì)中的電子產(chǎn)生作用，在外電場的作用下，介質(zhì)原子成為電偶極子。電偶極子將隨光波的電磁場的變化產(chǎn)生振蕩。++－

原子的電極化：負(fù)電荷中心與正電荷中心產(chǎn)生偏離的狀態(tài)。第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

若物質(zhì)中的電子在外場作用下產(chǎn)生位移r，則每個電子產(chǎn)生一個電偶極矩p。

若光波隨時間作正弦變化，即它的電場強度沿兩個相反方向交替變化，電偶極子的負(fù)電荷中心將繞正電荷中心作周期性振蕩。表征電偶極子的物理量是電偶極矩。

若單位體積中有N個電偶極子，N個偶極矩的矢量和為極化強度P。第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

線性光學(xué)：電偶極矩與外界電磁場成線性關(guān)系。

當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，光場中的電場強度使介質(zhì)原子因感應(yīng)而產(chǎn)生電偶極矩，電偶極矩疊加起來形成電極化強度。電極化強度產(chǎn)生極化場，極化場發(fā)出次級輻射。

若E以ω作簡諧變化，P及其產(chǎn)生的次級電磁輻射也以同樣的ω作簡諧變化，因兩頻率相同，次級輻射與入射光波疊加的結(jié)果使光波的單色性不變。第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

當(dāng)有幾種不同頻率的光波同時與該物質(zhì)相互作用時，各種頻率的光都線性獨立地反射、折射和散射，不會發(fā)生新的頻率。

在線性光學(xué)中，物質(zhì)對光場的響應(yīng)與光的場強成線性關(guān)系。光的獨立性原理和疊加原理都成立。

非線性光學(xué)：外界作用的光場較強，電偶極子的振蕩不再具有位移與外電場成線性的關(guān)系，產(chǎn)生的電磁振蕩是非線性的。第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二二、光的吸收

光通過物質(zhì)時，光波的電矢量使物質(zhì)中的帶電粒子作受迫振動，一部分光能用來提供振動所需能量。光的強度隨穿入物質(zhì)的深度而減少，光能被物質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

光強為I的平行光束通過一無限薄層dx時，強度減少了dI，a為吸收系數(shù)。

對上式進行積分，可求出在通過厚度為l

的吸收層后的光強I。第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

在介質(zhì)中，當(dāng)光的頻率與電偶極子的固有頻率一致時，發(fā)生共振現(xiàn)象，因而光能被強烈地吸收，在其他情況下表現(xiàn)為透明。一般吸收（a很大）選擇吸收（a很?。┙橘|(zhì)對光的吸收：{

吸收光譜能反映材料特征。同一物質(zhì)的發(fā)射光譜與吸收光譜有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。

具有連續(xù)譜的光（白光）通過選擇吸收介質(zhì)后，用光譜儀可觀察不同波長的光被吸收的譜線。第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

正常色散：在透明波段（一般吸收），折射率隨波長增加而減少。

反常色散：在不透明波段（選擇吸收），折射率隨波長增加而增加。三、光的色散介質(zhì)材料的折射率隨波長而改變的現(xiàn)象。（1）色散與吸收正常色散的經(jīng)驗公式（柯西公式）：第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二可見光吸收帶λnPQR柯西公式STO

在可見光區(qū)域色散是正常的，曲線PQ段符合柯西公式，若向紅外區(qū)域延伸，并接近吸收帶時，色散曲線發(fā)生偏離（R點），過了吸收帶，曲線ST又恢復(fù)正常。第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二（2）色散與經(jīng)典電磁理論

光波在介質(zhì)中的吸收和色散行為，可用光場使電偶極子產(chǎn)生振蕩的理論來描述。

介質(zhì)材料的電極化率x決定了折射率N的實部n和虛部κ，從而研究介質(zhì)的吸收（κ）和色散（n）的問題。

入射光頻率接近電偶極子的固有頻率時吸收很大，為反常色散。第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二四、光的散射

當(dāng)光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻介質(zhì)時，除了按幾何光學(xué)規(guī)律傳播的光線外，其它方向或多或少也有光線存在。

介質(zhì)中各點所發(fā)射的次波是不相干疊加，不會相消為零，從而形成了散射光。（1）瑞利散射

散射粒子線度比波長小得多，散射光強度與入射光波長的四次方成反比。散射光中短波占優(yōu)勢，白光散射時帶青藍(lán)色。第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二（2）拉曼散射

在研究晶體和液體內(nèi)的散射時，發(fā)現(xiàn)一些微弱的與入射光頻率不同的散射光。

入射光中的一部分能量被介質(zhì)吸收，用來激勵介質(zhì)中分子的振動或轉(zhuǎn)動的能量，從而使散射光的頻率比入射光的低。

若散射光的頻率比入射光的高為反斯托克斯-拉曼散射。這種非彈性散射的可能性比彈性散射小得多。入射與散射光的頻率差反映介質(zhì)能級的能量差。第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二彈性散射hγ0hγ0γ0hγ0hγ0γ0h（γ0

－△

γ）h（γ0

＋△

γ）γ0

－△

γγ0

＋△

γ非彈性散射

受激散射：當(dāng)以強光入射時，可使某些介質(zhì)的散射過程具有受激發(fā)射的性質(zhì)，散射光突然變強。第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二（3）布里淵散射

光通過由熱激發(fā)產(chǎn)生聲波的介質(zhì)時，散射光中除包含入射光頻外，其兩側(cè)還有頻移線（布里淵雙重線）。

晶體中的聲波參與了能量的交換，可用被相對運動物體產(chǎn)生頻移的多普勒頻移理論解釋。

生物組織是高散射物質(zhì)，用光學(xué)方法顯現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)部的物體是生物醫(yī)學(xué)的熱門課題。蛇形光層析、時間門成像術(shù)、電子全息術(shù)第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二五、光學(xué)中的非線性現(xiàn)象

被動介質(zhì)在與強光與被動介質(zhì)相互作用時，它的性質(zhì)如同化學(xué)反應(yīng)中的催化劑，它本身的固有頻率并不明顯起作用。如光整流、光學(xué)諧波、光混頻和光自聚焦等。

激活介質(zhì)在與強光與被動介質(zhì)相互作用時，它能以自己的固有頻率去影響與它相互作用的光波，這類相互作用是一些受激散射過程如受激拉曼散射、受激布里淵散射等。第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

激光具有能顯示介質(zhì)非線性所需的高強度輻射場。（1）激光倍頻技術(shù)

當(dāng)入射到介質(zhì)中的光波E=E0cosωt很強時，強光將在晶體中感生電極化強度P第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

電極化強度中除有頻率為零的直流成分外，還有頻率為ω的基頻成分以及頻率為2ω的倍頻成分（二次諧波信號）。2ωω2ωω非線性晶體濾光片光電倍增管激光θ匹配角θ：入射激光和非線性晶體光軸之間的夾角第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

基頻激光在非線性晶體中產(chǎn)生倍頻極化波，倍頻極化波在一定厚度的晶體中一邊前進，一邊產(chǎn)生倍頻次波輻射。倍頻次波輻射與倍頻極化波相位相差π/2，它們疊加的結(jié)果形成最后出射的倍頻光。

當(dāng)θ滿足相位匹配時，許多倍頻次波輻射就因干涉相長而得到最強的倍頻光，反之，不滿足相位匹配時，倍頻次波輻射就因干涉相消而使倍頻光為零。相位匹配第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

兩個頻率為ω的光子與某些物質(zhì)相互作用，可產(chǎn)生一個頻率為2ω的光子。二次諧波（2）光混頻現(xiàn)象

當(dāng)一束強光和一束弱光同時進入非線性介質(zhì)時，可形成三波混頻效應(yīng)，產(chǎn)生和頻與差頻。

當(dāng)入射光波為兩種不同頻率的光E=E01cosωt+E02cosωt

時，電極化強度P的二次項為第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

上式各項中，除了有零頻項（直流項）和倍頻項外，還有和頻項以及差頻項。這些極化波再輻射，產(chǎn)生相應(yīng)的零頻光、倍頻光和頻光、差頻光。

四波混頻將調(diào)諧相干光源的頻率擴展到紅外和紫外，可獲得入射光波之共軛光波。第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二（3）光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)

光學(xué)雙穩(wěn)是指一個輸入光強存在著兩個可以相互轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定輸出光強狀態(tài)，其輸入輸出光強關(guān)系類似磁滯回線。IiI0CDBAOIiI0OB與C點是同一輸入光強下兩個不同的輸出光強狀態(tài)。第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

雙穩(wěn)態(tài)是一種反轉(zhuǎn)觸發(fā)器件。光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)用光脈沖作為觸發(fā)源以啟動并選擇兩種光強狀態(tài)。IiI0T（I0

）在F-P干涉儀的兩反射平面的中間放入非線性介質(zhì)，并使F-P干涉儀中的一部分輸出光波反饋到非線性介質(zhì)上，以改變其折射率從而改變相位和所輸出的單色光波的光強。第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

光數(shù)字計算機的核心元件是光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件，如光放大器、光開關(guān)。第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二六、光電子學(xué)器件（1）光電探測器

利用物質(zhì)吸收光輻射能量后其電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變來對輻射能流進行檢測的器件。

光電效應(yīng)的機理是入射的光子被探測器吸收導(dǎo)致內(nèi)部微觀體系能量的變化。特點是對光輻射的波長響應(yīng)有選擇，且響應(yīng)速度可以很快。

外光電效應(yīng)器件必須將光敏材料放在真空容器中，為光電管或光電倍增管。第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二

外光電效應(yīng)是光照使光敏材料中的電子逸出表面而成為自由電子，即發(fā)射電子。內(nèi)光電效應(yīng)是光輻射使半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生新的載流子而改變其電導(dǎo)率。光電倍增管AKehν＋－－第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二微通道板

當(dāng)光陰極平板受到一幅圖象的照射時，各點上發(fā)射出強弱不同的光電子流，它們通入到相應(yīng)的毛細(xì)管微通道中而獲得電子的倍增，這些出射電子轟擊熒光板而發(fā)光，從而獲得一個增強的光學(xué)圖象。（2）光調(diào)制器

利用光和物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的效應(yīng)來控制光波的強度或相位的器件。第26頁，共28頁，2023年，2月20日，星期二電光調(diào)制器：電場控制（克爾效應(yīng)或泡克耳斯效應(yīng)）磁光調(diào)制器（磁光效應(yīng)）聲