非線性光學(xué)ppt課件1非線性光學(xué)ppt課件2教材：《非線性光學(xué)物理》

葉佩弦著

參考書目：1、《強(qiáng)光光學(xué)及其應(yīng)用》

劉頌豪赫光生著2、《非線性光學(xué)原理》

沈元壤著顧世杰譯3、《非線性光學(xué)》

石順祥陳國夫趙衛(wèi)劉繼芳編著4、《非線性光學(xué)》

李淳飛著5、《高等光學(xué)教程》

季家镕馮瑩編著教材：《非線性光學(xué)物理》葉佩弦著3非線性光學(xué)ppt課件4非線性光學(xué)ppt課件5非線性光學(xué)ppt課件6課程主要內(nèi)容緒論非線性電極化過程和耦合波的基礎(chǔ)知識光學(xué)倍頻效應(yīng)/和頻、差頻效應(yīng)（三波混頻）/光學(xué)參量振蕩和放大效應(yīng)四波混頻/

光學(xué)相位共軛第五章光學(xué)克爾效應(yīng)/

光束自聚焦/

自相位調(diào)制/

光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)第六章受激拉曼散射/

受激布里淵散射課程主要內(nèi)容緒論7非線性光學(xué)ppt課件8非線性光學(xué)ppt課件9非線性的概念來源線性相應(yīng)和非線性響應(yīng)

描述物理量之間的聯(lián)系

變化關(guān)系

認(rèn)知邏輯的“惰性”

對變換關(guān)系的簡單

理解總希望找到

線性關(guān)系

在進(jìn)一步深化認(rèn)識的過程中，

又意識到非線性的存在非線性的概念來源線性相應(yīng)和非線性響應(yīng)10線性響應(yīng)線性響應(yīng)11非線性響應(yīng)非線性響應(yīng)12非線性科學(xué)非線性科學(xué)，目前有六個主要研究領(lǐng)域，即：

混沌(Chaos)

孤子波（Soliton）分形（Fractal）

模式形成（Patternformation）元胞自動機(jī)（Cellularautomata）

復(fù)雜系統(tǒng)

(Complexsystem)線性和非線性(數(shù)學(xué)和物理上)目前發(fā)展起來的非線性物理學(xué)科包括：

*非線性光學(xué)（NonlinearOptics）

*非線性聲學(xué)（NonlinearAcoustics）

*非線性動力學(xué)（NonlinearDynamics）

*量子混沌

(QuantumChaos)……非線性科學(xué)非線性科學(xué)，目前有六個主要研究領(lǐng)域，即：線性和非線13非線性光學(xué)緒論研究范疇極化響應(yīng)過程輻射過程介質(zhì)對光場的響應(yīng)呈線性關(guān)系：線性光學(xué)介質(zhì)對光場的響應(yīng)呈非線性關(guān)系：非線性光學(xué)非線性光學(xué)是研究強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用過程中出現(xiàn)的各種新現(xiàn)象和新效應(yīng)光物質(zhì)光介質(zhì)極化輻射各種非線性光學(xué)現(xiàn)象各光波間能量的轉(zhuǎn)換耦合波方程非線性光學(xué)緒論研究范疇極化響應(yīng)過程輻射過程介質(zhì)對光場的響14緒論

非線性光的學(xué)的基本體系極化極化對電場的響應(yīng)非線性響應(yīng)極化的宏觀描述緒論非線性光的學(xué)的基本體系極化極化對電場的響應(yīng)15光學(xué)非線性響應(yīng)---極化光學(xué)非線性響應(yīng)---極化16光學(xué)非線性響應(yīng)---原子、分子的非線性響應(yīng)光學(xué)非線性響應(yīng)---原子、分子的非線性響應(yīng)17光與物質(zhì)相互作用的線性描述已不能滿足需求其中，

(1)為線性極化率，

(2)

和

(3)是二階，三階非線性極化率。對于各向異性介質(zhì)，

(n)為（n+1）階張量，張量元一般為復(fù)數(shù)，實(shí)部對應(yīng)介質(zhì)的折射率，虛部對應(yīng)介質(zhì)的吸收極化強(qiáng)度的非線性表達(dá)介質(zhì)對光場的響應(yīng)呈線性關(guān)系：線性光學(xué)介質(zhì)對光場的響應(yīng)呈非線性關(guān)系：非線性光學(xué)光與物質(zhì)相互作用的線性描述已不能滿足需求其中，(1)為線18誕生適用范圍發(fā)展階段特點(diǎn)緒論

非線性光學(xué)的歷史誕生緒論非線性光學(xué)的歷史19非線性光學(xué)的誕生最早的光學(xué)二次諧波產(chǎn)生1961年Franken非線性光學(xué)的誕生最早的光學(xué)二次諧波產(chǎn)生20在非線性晶體中，如果注入的泵浦光足夠強(qiáng)，就會發(fā)生一系列的非線性效應(yīng)。在非線性晶體中，如果注入的泵浦光足夠強(qiáng)，就會發(fā)生一系列的非線21非/線性描述的適用范圍原子內(nèi)的平均電場強(qiáng)度的大?。ā?011V/m）

弱光下，，二階以上非線性極化強(qiáng)度可忽略

強(qiáng)光下，，二階以上非線性極化強(qiáng)度不可忽略由非線性光學(xué)理論可以證明非/線性描述的適用范圍原子內(nèi)的平均電場強(qiáng)度的大小（～101122學(xué)科特點(diǎn)

激光技術(shù)催生非線性光學(xué)的出現(xiàn)并推動了其發(fā)展。線性光學(xué)：若介質(zhì)對光的響應(yīng)是呈線性關(guān)系，在線性范疇內(nèi)光在介質(zhì)中的傳播滿足獨(dú)立傳播原理和線性疊加原理非線性光學(xué)：若介質(zhì)對光的響應(yīng)是呈非線性關(guān)系，在非線性范疇內(nèi)光在介質(zhì)中的傳播產(chǎn)生新的頻率，不同光波之間會耦合，獨(dú)立傳播原理和線性疊加原理不成立學(xué)科特點(diǎn)激光技術(shù)催生非線性光學(xué)的出現(xiàn)并推動了其發(fā)展。線性光23線性光學(xué)非線性光學(xué)單束光在介質(zhì)中傳播，通過干涉、衍射、折射可以改變空間能量的分布和傳播方向，但與介質(zhì)不發(fā)生能量的交換，不改變光的頻率某一頻率的入射光，可通過與介質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成其它頻率的光（如倍頻），還可以產(chǎn)生一系列在光譜上周期分布的不同頻率和光強(qiáng)（受激拉曼散射）多束光在介質(zhì)中交叉?zhèn)鞑?，不發(fā)生能量相互交換，不改變各自的頻率多束光在介質(zhì)中交叉?zhèn)鞑?，可能發(fā)生能量相互轉(zhuǎn)移，改變各自頻率或產(chǎn)生新的頻率（三波和四波混頻）光與介質(zhì)相互作用，介質(zhì)的物理參量只是光頻的函數(shù)，與光場強(qiáng)度變化無關(guān)光與介質(zhì)相互作用，介質(zhì)的物理參數(shù)如極化率、吸收系數(shù)、折射率等是光強(qiáng)的函數(shù)（非線性吸收和色散、光克爾效應(yīng)和自聚焦）光束通過光學(xué)系統(tǒng)，入射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)之間一般成線性關(guān)系光束通過光學(xué)系統(tǒng)，入射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)之間呈非線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光開關(guān)（光限幅、光學(xué)雙穩(wěn)、各種干涉儀開關(guān)）多束光在介質(zhì)中交叉?zhèn)鞑?，各光束的相位信息彼此不能相互傳遞光束之間可以相互傳遞相位信息，而且兩束光的相位可以互相共軛（光學(xué)相位共軛）線性光學(xué)非線性光學(xué)單束光在介質(zhì)中傳播，通過干涉、衍射、折射可24非線性光學(xué)過程的能量、動量條件非線性光學(xué)過程的能量、動量條件25發(fā)展歷史（三階段）1）非線性光學(xué)的早期10年（1961-1970）1961，紅寶石激光倍頻(SHG)

（標(biāo)志非線性光學(xué)真正誕生）

隨后發(fā)現(xiàn)了幾種非線性光學(xué)的基本現(xiàn)象和各種瞬態(tài)光學(xué)效應(yīng)：和頻、差頻、參量振蕩；受激拉曼散射、受激布里淵散射、相干（反）斯托克斯；光子回波、光學(xué)章動、光學(xué)自感生透明；自聚焦、自相位調(diào)制、光學(xué)相位共軛1965年，Bloembergen等人出版《NonlinearOpticalphenomena》一書，基本建立了以非線性介質(zhì)極化和耦合波方程組為基礎(chǔ)的非線性光學(xué)理論發(fā)展歷史（三階段）1）非線性光學(xué)的早期10年（1961-1262）非線性光學(xué)研究全面深入的20年（1971-1990）

發(fā)現(xiàn)新的非線性光學(xué)效應(yīng)：四波混頻、光克爾

展開各種非線性光學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用研究：

擴(kuò)展激光波長的范圍和發(fā)展各波段連續(xù)可調(diào)諧技術(shù);發(fā)展非線性光學(xué)共軛技術(shù)及應(yīng)用;以光計(jì)算和光電子技術(shù)為應(yīng)用背景，出現(xiàn)了各種光學(xué)雙穩(wěn)的方案和裝置。

與材料研究緊密結(jié)合（非線性光學(xué)晶體BBO,LBO/半導(dǎo)體超晶格/量子阱/有機(jī)聚合物）1984年，沈元壤出版《ThePrinciplesofNonlinearOptics》一書2）非線性光學(xué)研究全面深入的20年（1971-1990）273）非線性光學(xué)研究的未來發(fā)展趨勢非線性光學(xué)規(guī)律研究的發(fā)展趨勢研究對象從穩(wěn)態(tài)過程轉(zhuǎn)向動態(tài)；所用光源從連續(xù)、寬脈沖轉(zhuǎn)向納秒、皮秒、飛秒甚至阿秒超短脈沖；從強(qiáng)光非線性研究到弱光非線性研究；從基態(tài)－激發(fā)態(tài)躍遷非線性光學(xué)研究轉(zhuǎn)向激發(fā)態(tài)－更高激發(fā)態(tài)躍遷非線性光學(xué)研究；從研究共振峰處的現(xiàn)象轉(zhuǎn)向研究非共振區(qū)的現(xiàn)象；從二能級模型研究轉(zhuǎn)向多能級模型；研究物質(zhì)的尺度從宏觀尺度（衍射光學(xué)），到介觀（納米）尺度（近場光學(xué)），再到微觀尺度（量子光學(xué)）。非線性光學(xué)材料研究的發(fā)展趨勢從晶體材料到非晶體材料；從無機(jī)材料到有機(jī)材料；從對稱材料到非對稱材料（手性材料）；從單一材料到復(fù)合材料；從高維材料到低維材料，如從三維的體塊材料到二維的表面、薄膜材料；從宏觀材料到納米材料，如半導(dǎo)體量子線和量子點(diǎn)、光子晶體以及納米管、納米球和團(tuán)簇材料。3）非線性光學(xué)研究的未來發(fā)展趨勢研究對象從穩(wěn)態(tài)過程轉(zhuǎn)向動態(tài)；28一、最常見的頻率變換模型針對摻Nd3+的4F3/24I11/2躍遷，發(fā)射波長在1060nm左右ω1+ω1=2ω1，得到2倍頻綠光SHGω1+2ω1=3ω1，得到3倍頻紫外光SHG+SFG=THG一、最常見的頻率變換模型針對摻Nd3+的4F3/24I1293.倍頻激光器的結(jié)構(gòu)3.倍頻激光器的結(jié)構(gòu)30常見的非線性效應(yīng)典型的二階非線性效應(yīng)光學(xué)二次諧波（倍頻），和頻，差頻，光參量振蕩/放大典型的三階階非線性效應(yīng)

光學(xué)三次諧波（直接三次諧波），光學(xué)克爾效應(yīng)及自聚焦、自散焦，受激拉曼散射、受激布里淵散射、四波混頻瞬態(tài)相干光學(xué)效應(yīng)

光學(xué)章動、光學(xué)回波和自感應(yīng)透明等由短脈沖激光與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的瞬態(tài)效應(yīng)常見的非線性效應(yīng)典型的二階非線性效應(yīng)典型的三階階非線性效應(yīng)瞬31非線性光學(xué)的主要機(jī)制電子的貢獻(xiàn)

電子云的畸變

電子能級布局?jǐn)?shù)的改變

分子的振動與轉(zhuǎn)動分子的重新取向與重新分布電致伸縮熱效應(yīng)非線性光學(xué)的主要機(jī)制電子的貢獻(xiàn)32非線性光學(xué)ppt課件33非線性光學(xué)的應(yīng)用價值和科學(xué)意義1）提供了產(chǎn)生強(qiáng)相干光輻射并擴(kuò)展其波段的新手段；2）解決激光技術(shù)本身提出的一些課題；5）是促進(jìn)基礎(chǔ)理論發(fā)展的一種動力。3）提供了一批新方法和新技術(shù)；簡并四波混頻產(chǎn)生相位共軛波；采用非線性飽和吸收調(diào)Q開關(guān)和鎖模；采用雙光子吸收檢測超短脈沖的脈寬；光學(xué)擊穿用于觸發(fā)快速火花隙電開關(guān)；采用強(qiáng)光自相位調(diào)制和自加寬效應(yīng)產(chǎn)生超連續(xù)譜；采用自相位調(diào)制可用光纖中產(chǎn)生光孤子。4）是認(rèn)知和了解物質(zhì)材料的一種重要手段；通過強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的研究，可以獲得有關(guān)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、能量耦合和轉(zhuǎn)移等材料內(nèi)部的信息。它和材料研究緊密相關(guān)。非線性光學(xué)的應(yīng)用價值和科學(xué)意義1）提供了產(chǎn)生強(qiáng)相干光輻射并擴(kuò)34"fordevelopmentofmethodstocoolandtrapatomswithlaserlight"1997年諾貝爾物理獎得主StevenChu,ClaudeCohen-Tannoudji,

WilliamD.Phillips

StanfordUniversity

Stanford,CA,USA

CollègedeFrance;écoleNormaleSupérieure

Paris,FranceNationalInstituteofStandardsandTechnology

Gaithersburg,MD,USA

"fordevelopmentofmeth35Ringsonthewater

Overahundredresearchgroupsarenowworkingonlasercooling.ManyapplicationshavebeentriedsuchasBose-Einsteincondensation（2001諾貝爾物理學(xué)獎）,atomoptics,atominterferometry,atomclocks,opticallattices,opticaltweezers,atomlasers,high-resolutionspectroscopyandfundamentalinvestigationsoftheinteractionbetweenlightandmatter.StevenChu

“指揮原子跳舞的人”RingsonthewaterStevenChu36"fortheachievementofBose-Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms,andforearlyfundamentalstudiesofthepropertiesofthecondensates"2001年諾貝爾物理獎得主EricA.Cornell(USA)

WolfgangKetterle(Germany)CarlE.Wieman(USA)

楊振寧說：”雖然朱等3人沒有做這種奇特的BEC現(xiàn)象，但卻為BEC的工作鋪了路?！凹す饫鋮s技術(shù)的發(fā)明直接導(dǎo)致了玻色-愛因斯坦凝聚這一著名理論論斷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,這成為20世紀(jì)末物理學(xué)的重大突破之一。

"fortheachievementof372005年諾貝爾物理獎得主霍爾(J.L.Hall)、漢什(T.W.H?nsch)和葛勞柏（RoyJ.Glauber）

美國科學(xué)家約翰-霍爾德國科學(xué)家漢什美國科學(xué)家葛勞柏"forhiscontributiontothequantumtheoryofopticalcoherence""fortheircontributionstothedevelopmentoflaser-basedprecisionspectroscopy,includingtheopticalfrequencycombtechnique"2005年諾貝爾物理獎得主

美國科學(xué)家約翰-霍爾德國科學(xué)38原子冷卻與BEC原子冷卻與BEC39非線性光學(xué)ppt課件40非線性光學(xué)ppt課件41非線性光學(xué)ppt課件42BEC、超導(dǎo)與宏觀量子態(tài)BEC、超導(dǎo)與宏觀量子態(tài)43BEC的性質(zhì)內(nèi)部無阻力（激光、超導(dǎo)）傳播電子對波，形成宏觀電流，無需電壓原子幾乎不動（原子鐘）BEC的性質(zhì)44BEC的其它“親戚”超流體氦：2.2KHe原子BEC液體流動無粘度超導(dǎo)體：電子對BEC無電阻激光：所有光子處于同一量子態(tài)激子：空穴－電子對Cu2O出現(xiàn)短壽命氣態(tài)凝聚BEC的其它“親戚”超流體氦：2.2KHe原子BEC液45激光制冷激光制冷46多普勒冷卻多普勒冷卻47多普勒冷卻多普勒冷卻48非線性光學(xué)ppt課件49非線性光學(xué)ppt課件50非線性光學(xué)ppt課件51非線性光學(xué)ppt課件52Acollectionofsodiumatoms(yellowdotinmiddleofpicture)trappedinaMOT（Magnetic-OpticalTrap）.A采用可調(diào)激光技術(shù)控制激光頻率DopplerCoolingBOpticalmolassesIntheareawherethesixlaserbeamsintersect,theatomsmoveslowlyasinastickymedium.Acollectionofsodiumatoms(53非線性光學(xué)ppt課件54非線性光學(xué)ppt課件55非線性光學(xué)ppt課件56偏振梯度冷卻偏振梯度冷卻57Acollectionofsodiumatoms(yellowdotinmiddleofpicture)trappedinaMOT（Magnetic-OpticalTrap）.A采用可調(diào)激光技術(shù)控制激光頻率DopplerCoolingBOpticalmolassesIntheareawherethesixlaserbeamsintersect,theatomsmoveslowlyasinastickymedium.Acollectionofsodiumatoms(58"fordevelopmentofmethodstocoolandtrapatomswithlaserlight"1997年諾貝爾物理獎得主StevenChu,ClaudeCohen-Tannoudji,

WilliamD.Phillips

StanfordUniversity

Stanford,CA,USA

CollègedeFrance;écoleNormaleSupérieure

Paris,FranceNationalInstituteofStandardsandTechnology

Gaithersburg,MD,