1、a,1,主講人：李雙浩,非線性光學(xué)及其應(yīng)用,非線性光學(xué)晶體最主要的用途就是對(duì)激光的倍頻作用，產(chǎn)生二次諧波。,a,2,a,3,1.什么是非線性光學(xué)？2.非線性光學(xué)歷史回顧.3.非線性光學(xué)的應(yīng)用.,a,4,什么是非線性光學(xué)？,非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)分支，研究介質(zhì)在強(qiáng)相干光作用下產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象及其應(yīng)用。激光問(wèn)世之前，基本上是研究弱光束在介質(zhì)中的傳播，確定介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的折射率或極化率是與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的常量，介質(zhì)的極化強(qiáng)度與光波的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，光波疊加時(shí)遵守線性疊加原理。,a,5,a,6,歷史回顧,非線性光學(xué)的早期工作1906年泡克耳斯效應(yīng)1929年克爾效應(yīng)激光問(wèn)世首次發(fā)現(xiàn)光學(xué)二次諧波第一個(gè)時(shí)期是1

2、9611965年光學(xué)諧波、光學(xué)和頻與差頻、光學(xué)參量放大與振蕩、多光子吸收、光束自聚焦以及受激光散射等等第二個(gè)時(shí)期是19651969年非線性光譜方面的效應(yīng)、各種瞬態(tài)相干效應(yīng)、光致?lián)舸┑鹊鹊谌齻€(gè)時(shí)期是70年代至今由以固體非線性效應(yīng)為主的研究擴(kuò)展到包括氣體、原子蒸氣、液體、固體以至液晶的非線性效應(yīng)的研究；由二階非線性效應(yīng)為主的研究發(fā)展到三階、五階以至更高階效應(yīng)的研究；由一般非線性效應(yīng)發(fā)展到共振非線性效應(yīng)的研究；就時(shí)間范疇而言，則由納秒進(jìn)入皮秒領(lǐng)域,a,7,1893年由德國(guó)物理學(xué)家F.C.A.泡克耳斯發(fā)現(xiàn)。一些晶體在縱向電場(chǎng)（電場(chǎng)方向與光的傳播方向一致）作用下會(huì)改變其各向異性性質(zhì)，產(chǎn)生附加的雙折射效應(yīng)

3、。例如把磷酸二氫鉀晶體放置在兩塊平行的導(dǎo)電玻璃之間，導(dǎo)電玻璃板構(gòu)成能產(chǎn)生電場(chǎng)的電容器，晶體的光軸與電容器極板的法線一致，入射光沿晶體光軸入射。不加電場(chǎng)時(shí)，入射光在晶體內(nèi)不發(fā)生雙折射，光不能通過(guò)P2。加電場(chǎng)后，晶體感生雙折射，就有光通過(guò)P2。泡克耳斯效應(yīng)與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成正比。大多數(shù)壓電晶體都能產(chǎn)生泡克耳斯效應(yīng)。泡克耳斯效應(yīng)與克爾效應(yīng)一樣常用于光閘、激光器的Q開(kāi)關(guān)和光波調(diào)制等。,a,8,與電場(chǎng)二次方成正比的電感應(yīng)雙折射現(xiàn)象。放在電場(chǎng)中的物質(zhì)，由于其分子受到電力的作用而發(fā)生取向(偏轉(zhuǎn))，呈現(xiàn)各向異性，結(jié)果產(chǎn)生雙折射，即沿兩個(gè)不同方向物質(zhì)對(duì)光的折射能力有所不同。這一現(xiàn)象是1875年J.克爾發(fā)現(xiàn)

4、的。后人稱它為克爾電光效應(yīng)，或簡(jiǎn)稱克爾效應(yīng)。,a,9,諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉(MFourier)分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以I區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號(hào)的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時(shí)，2次諧波為lOOHz，3次諧波則是150Hz。,a,10,非線性光學(xué)的應(yīng)用,a,11,1.光學(xué)變頻效應(yīng),不同

5、頻率的光波之間進(jìn)行能量變換,引起頻率轉(zhuǎn)換的各種混頻現(xiàn)象叫做光學(xué)變頻效應(yīng).光學(xué)變頻效應(yīng)包括由介質(zhì)的二階非線性電極化所引起的光學(xué)倍頻、光學(xué)和頻與差頻效應(yīng)、光學(xué)參量放大與振蕩效應(yīng),還包括由介質(zhì)的三階非線性電極化所引起的四波混頻效應(yīng).,a,12,非線性光學(xué)變頻單晶材料KDP,a,13,2.光的受激散射效應(yīng),光通過(guò)介質(zhì)時(shí)都有一部分能量偏離預(yù)定的方向而向空間其他方向彌散開(kāi)來(lái),這種現(xiàn)象叫光的散射.激光出現(xiàn)以后,以單色高亮度的激光作為入射光束,不但使光的散射現(xiàn)象更易于觀測(cè)和研究,而且各種散射過(guò)程由自發(fā)散射轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ど⑸?散射光是具有高度方向性的相干光,其強(qiáng)度也會(huì)有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增加.我們把這類現(xiàn)象稱為光的受激散

6、射效應(yīng).,a,14,a,15,3.光學(xué)相位共軛效應(yīng),a,16,3.1用于激光器光束質(zhì)量的改善,在普通激光共振腔情況下,增益介質(zhì)的不均勻性、熱畸變以及光學(xué)元件所引起的相位與極化的像差是限制激光器輸出光束定向性和亮度水平的主要因素.利用具有產(chǎn)生相位共軛波能力的反射體代替普通反射鏡組成激光共振腔,具有自動(dòng)消除增益介質(zhì)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)光程畸變影響的能力,從而保證了在腔的另一輸出端獲得波面規(guī)則的高亮度激光輸出.,a,17,3.2用于實(shí)現(xiàn)精密瞄準(zhǔn)打靶,一臺(tái)大功率激光器所輸出的光能足以引爆核聚變的彈丸或摧毀軍事上的飛行物,但由于光路介質(zhì)和光學(xué)元件不均勻性以及調(diào)整光路技術(shù)上的原因,不可避免地使光束變形、發(fā)散,無(wú)法

7、達(dá)到引爆或摧毀的目的光學(xué)位相共軛技術(shù)提供了一個(gè)解決這方面問(wèn)題的思路.圖中利用相位共軛波進(jìn)遠(yuǎn)距離激光打靶的一種原理方案圖.先用一發(fā)散角較大低功率激光器發(fā)出尋的光束照射靶目標(biāo),由靶面發(fā)射的部分光波經(jīng)過(guò)擾動(dòng)介質(zhì)后返回發(fā)射端,經(jīng)小信號(hào)激光放大器后入射到相位共軛波反射體,所產(chǎn)生的反向相位共軛波經(jīng)激光功率(能量)放大器后,穿過(guò)擾動(dòng)介質(zhì)完全準(zhǔn)確地?fù)糁邪忻姹徽彰鞯牟糠?,a,18,美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置實(shí)驗(yàn)室的俯視圖,a,19,工程技術(shù)人員調(diào)整靶位,a,20,激光“打靶”,a,21,神光II靶室,a,22,神光II自動(dòng)準(zhǔn)系統(tǒng),a,23,神光II能庫(kù),a,24,神光II大廳,a,25,4.光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng),在電子學(xué)中,

8、雙穩(wěn)態(tài)是一個(gè)單元電路,它對(duì)于同一個(gè)輸入電信號(hào)具有高低不同的兩個(gè)電阻值;在光子學(xué)中,雙穩(wěn)態(tài)則是一個(gè)光學(xué)元件,它對(duì)于同一個(gè)入射光強(qiáng)具有高低不同的兩個(gè)透射率,稱為光學(xué)雙穩(wěn)態(tài).它對(duì)于理解光信息的存儲(chǔ)、運(yùn)算和邏輯處理等有重要意義.,a,26,5.光學(xué)孤子,光波、聲波或水波都有一個(gè)共同的特點(diǎn):傳播越遠(yuǎn),擴(kuò)展越大.如果波在傳播時(shí)保持穩(wěn)定的形狀而不擴(kuò)展,這樣的波就稱為孤子波(solitarywave).由于這樣的波在相互作用時(shí)具有粒子的特性,故又稱為孤子(soliton).在光學(xué)領(lǐng)域里,由于色散,使得超短脈沖會(huì)在時(shí)域自然加長(zhǎng);由于衍射,超窄光束會(huì)在空域里自然拓寬.而光學(xué)孤子能以超窄光束定形傳播,如同一根細(xì)針,

9、在空間永不擴(kuò)展.利用光學(xué)孤子理論制成的光纖孤子通信系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、超高碼率的全光通信能力,在光學(xué)通信中具有較好的應(yīng)用前景.,a,27,5.1光纖孤子通信,光纖孤子通信是光學(xué)孤子理論的重要應(yīng)用課題之一.當(dāng)前采用的光纖通信系統(tǒng),其主要部分光纖是以線性光學(xué)原理為理論基礎(chǔ)的線性系統(tǒng).光纖的損耗和色散是決定系統(tǒng)性能的兩個(gè)重要因素.色散使光脈沖沿光纖展寬,傳輸越遠(yuǎn)展寬越大,最后造成脈沖間的嚴(yán)重重疊而產(chǎn)生碼間干擾,增加了誤碼率.另一方面,由于光纖通信系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)中繼過(guò)程,其光電、電光轉(zhuǎn)換限制了信息傳輸.而在光纖孤子系統(tǒng)中光纖線性通信系統(tǒng)的兩大缺陷均已不存在,光纖中的色散效應(yīng),被光纖中的非線性效應(yīng)所

10、平衡,形成光學(xué)孤脈沖的穩(wěn)定傳輸,色散成為這種穩(wěn)定傳輸?shù)谋匾獥l件之一.同時(shí)傳統(tǒng)的中繼站所進(jìn)行的光的檢測(cè)和再生過(guò)程被揚(yáng)棄,代之以對(duì)光脈沖進(jìn)行直接放大的“全光”過(guò)程.,a,28,a,29,a,30,a,31,傳統(tǒng)光纖工作,a,32,全光光纖,a,33,非線性光學(xué)具有極大的科學(xué)技術(shù)價(jià)值.人們?cè)谘芯扛鞣N非線性光學(xué)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,已提供和發(fā)展了許多實(shí)際可用的新方法和新技術(shù),并為今后一些長(zhǎng)遠(yuǎn)的技術(shù)應(yīng)用打下了物理基礎(chǔ).非線性光學(xué)對(duì)其他學(xué)科也有很大影響,它促進(jìn)了等離子體物理、聲學(xué)和無(wú)線電物理學(xué)中對(duì)非線性波現(xiàn)象的研究,最近又利用非線性光學(xué)效應(yīng)研究固體表面,把非線性光學(xué)和表面物理結(jié)合了起來(lái).非線性光學(xué)與凝聚態(tài)物理、有機(jī)化學(xué)、高分子材料以及生物物理學(xué)等學(xué)科相