緒

論

1.1概

述

1.非線性光學(xué)概述

眾所周知,光在介質(zhì)中的傳播過程就是光與介質(zhì)相互作用的過程,對于這個動態(tài)過程,可以按照介質(zhì)對光的響應(yīng)和輻射過程進行描述。如果介質(zhì)對光的響應(yīng)呈線性關(guān)系,所產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象就屬于線性光學(xué)范疇,光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律遵從獨立傳播原理和線性疊加原理;如果介質(zhì)對光的響應(yīng)呈非線性關(guān)系,所產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象就屬于非線性光學(xué)范疇,光在介質(zhì)中的傳播會產(chǎn)生新的頻率,不同頻率的光波之間會產(chǎn)生耦合,獨立傳播原理和線性疊加原理不再成立。表01列出了線性光學(xué)和非線性光學(xué)之間的主要區(qū)別。

2.非線性光學(xué)的發(fā)展

光在介質(zhì)中傳播時,介質(zhì)對光的作用可以表現(xiàn)為熱響應(yīng)、電致伸縮響應(yīng)、電子軌道畸變響應(yīng)、光折變響應(yīng)、光極化響應(yīng)等不同的物理機制,不同的響應(yīng)過程應(yīng)采用不同的物理參量和方法描述,但就其非線性光學(xué)的作用過程而言,可以采用極化理論描述,即認(rèn)為光與介質(zhì)的相互作用產(chǎn)生了非線性極化,光電場E在介質(zhì)中將感應(yīng)產(chǎn)生非線性極化強度P,介質(zhì)的響應(yīng)特性可以利用極化率張量χ表征(注:本書中將所有張量用黑正體表示,以區(qū)別于矢量)。

對于線性光學(xué)現(xiàn)象,極化強度P

與光電場E

的關(guān)系為

式中,極化率張量χ是與光電場E

無關(guān)的常量;對于非線性光學(xué)現(xiàn)象,極化強度P與光電場E

的關(guān)系為

式中,表征介質(zhì)極化響應(yīng)特性的極化率張量χ(E)與光電場E有關(guān)。

對于非線性光學(xué)過程,如果入射光頻率遠離介質(zhì)共振區(qū)或者入射光場比較弱,則產(chǎn)生的極化強度與光電場的關(guān)系可以采用下面的級數(shù)形式表示:

式中,χ(1)、χ(2)、χ(3)、…分別是介質(zhì)的線性極化率、二階極化率、三階極化率、…,它們分別是二階張量、三階張量、四階張量、…;P(1)、P(2)、P(3)、…分別是線性極化強度、二階極化強度、三階極化強度、…。由非線性光學(xué)理論可以證明,上式中相鄰兩項之比為

3.研究非線性光學(xué)的意義

首先,可以開拓新的相干光波段,提供從遠紅外(8μm~14μm)到亞毫米波、從真空紫外到

X

射線的各種波段的相干光源。

其次,可以解決諸如激光放大中的自聚焦、激光打靶中的受激散射損耗等影響激光發(fā)展的激光技術(shù)問題。

第三,可以提供一些新技術(shù),并向其它學(xué)科滲透,促進這些學(xué)科的發(fā)展。

第四,由于非線性光學(xué)現(xiàn)象是光與物質(zhì)相互作用的體現(xiàn),因而可以利用非線性光學(xué)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu),并且對于許多非線性光學(xué)現(xiàn)象的研究已經(jīng)成為獲取原子、分子微觀性質(zhì)信息的一種手段。

4.非線性光學(xué)理論

從光與物質(zhì)相互作用的基本觀點出發(fā),非線性光學(xué)有三種理論研究體系:經(jīng)典理論體系、半經(jīng)典理論體系和全量子理論體系。在經(jīng)典理論體系中,認(rèn)為光場是經(jīng)典電磁波場,用麥克斯韋理論描述;介質(zhì)由經(jīng)典振子組成,用經(jīng)典力學(xué)描述。在半經(jīng)典理論體系中,認(rèn)為光場是經(jīng)典電磁波場,用麥克斯韋理論描述;介質(zhì)是由具有量子性的粒子組成的,用量子力學(xué)描述。在全量子理論體系中,認(rèn)為光場是量子化的場,用量子光學(xué)描述;