1、非線性光散射，1，學(xué)習(xí)AC PPT，光散射，當(dāng)光在透明介質(zhì)中傳播時(shí)，一些光偏離原始傳播方向向所有方向傳播的現(xiàn)象光散射，2，學(xué)習(xí)AC PPT，本章討論了具有介質(zhì)和能量交換的二階非線性光學(xué)現(xiàn)象，即受激拉曼散射和受激布里淵散射主要利用經(jīng)典模型討論了兩類非線性散射的物理機(jī)制和規(guī)律。光散射是光通過(guò)介質(zhì)后能量按頻率再分配的現(xiàn)象。光散射是由介質(zhì)的光學(xué)不均勻性引起的。3，學(xué)習(xí)交換PPT，瑞利散射：原子，分子空間分布的隨機(jī)起伏，散射中心的規(guī)模比波長(zhǎng)小得多，散射強(qiáng)度和入射光波長(zhǎng)的關(guān)系是波長(zhǎng)越長(zhǎng)，強(qiáng)度越弱。散射光的頻率與入射光的頻率相同，屬于彈性散射。瑞利翼散射：由于各向異性分子的方向起伏，散射光的光譜在入射光波長(zhǎng)

2、的兩側(cè)連續(xù)展開(kāi)，屬于非彈性散射。根據(jù)介質(zhì)光學(xué)不均勻性的原因，自發(fā)輻射光散射可以分為以下幾類：4，學(xué)習(xí)交流PPT，布里淵散射：介質(zhì)密度(折射率)由隨時(shí)間波動(dòng)的聲波(或聲子)引起。這也是一種非彈性散射，與聲子能量相對(duì)應(yīng)，散射光的頻率移動(dòng)量很小。還有斯托克斯和范斯托克斯散射光。拉曼散射：由于介質(zhì)中原子、分子空間分布的振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的非彈性散射，散射頻率與入射光的頻率不同，頻率較大，相當(dāng)于振動(dòng)動(dòng)能水平差。散射光頻率下降器，又稱斯托克斯散射光；把散射光頻率上移(藍(lán)色移動(dòng))的人稱為反斯托克斯散射光。5，學(xué)習(xí)AC PPT，圖6.0.1顯示了上述幾種自發(fā)發(fā)射光散射光譜：6，學(xué)習(xí)AC PPT，彈性散射，光和物

3、質(zhì)分子之間的碰撞具有彈性，沒(méi)有能量。入射光與散射光頻率相同，散射光強(qiáng)度與頻率4平方成正比。非彈性散射，散射光頻率不等于入射光頻率。原始頻率組件和和組件。與物質(zhì)的特性相關(guān)，與入射光頻率無(wú)關(guān)。7，學(xué)習(xí)交換PPT，彈性散射，非彈性散射，8，學(xué)習(xí)交換PPT，瑞利散射和拉曼散射，采樣通過(guò)光線透射彈性碰撞非能量交換，瑞利散射不變性，垂直方向觀察，原始波長(zhǎng)兩側(cè)的散射非彈性碰撞，能量交換，波長(zhǎng)的變化，拉曼散射變化，9，學(xué)習(xí)AC PPT，樣品池，學(xué)習(xí)AC PPT，CCl4的拉曼光譜，Stocks lines，室溫下基態(tài)振動(dòng)能級(jí)上的分子很少，抗堆線也比stocks線少得多。溫度升高，反斯托克斯線增加。12，學(xué)習(xí)交

4、流PPT，自然發(fā)射光散射(如普通拉曼散射和布里淵散射)，由于低入射光，入射光不改變介質(zhì)的光學(xué)特性，散射光仍是非相干自發(fā)發(fā)射光。感應(yīng)散射：入射到強(qiáng)光下時(shí)，某些介質(zhì)的散射過(guò)程會(huì)具有這里光的特性，散射光線會(huì)突然變強(qiáng)。受激拉曼散射和受激布里淵散射，散射和入射激光類似的強(qiáng)激光作用產(chǎn)生的受激輻射是一致的受激輻射。入射光改變介質(zhì)的光學(xué)特性，屬于三階非線性效應(yīng)。，自發(fā)散射和刺激散射，13，學(xué)習(xí)AC PPT，誘導(dǎo)散射具有以下新特性：高輸出強(qiáng)度：誘導(dǎo)輻射的輸出光可以耗盡與入射光相同的強(qiáng)度或更強(qiáng)(放大作用)入射光能量；高方向：正向和反向散射光的發(fā)散角度可以達(dá)到類似入射激光的發(fā)散角度，例如達(dá)到毫弧度或衍射極限。高單色

5、：散射光譜的寬度明顯變窄，得到與入射激光相似或更窄的單色光；14，學(xué)習(xí)交流PPT，閾值：入射激光的強(qiáng)度大于閾值亮度時(shí)，散射光的一致性、方向和散射光強(qiáng)度明顯增加；高階散射特性：加強(qiáng)輸入強(qiáng)度或增加介質(zhì)長(zhǎng)度會(huì)在光譜中產(chǎn)生更多高階斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光。相位共軛特性：產(chǎn)生的刺激散射光的相位特性與入射光的相位特性具有共軛關(guān)系。脈寬可壓縮性：感應(yīng)散射光脈寬比入射激光脈沖寬度小得多。15，學(xué)習(xí)通信PPT，1，受激拉曼散射，拉曼，印度物理學(xué)家。1921年開(kāi)始研究，1928年發(fā)現(xiàn)光散射的拉曼效應(yīng)，1930年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。與唐天秀一起，他成為了唯一兩個(gè)沒(méi)有接受過(guò)西方教育的諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)?。承認(rèn)雷

6、曼對(duì)印度科學(xué)進(jìn)步的巨大貢獻(xiàn)，印度政府將2月28日定為“拉曼節(jié)”。16、交流ppt學(xué)習(xí)、拉曼散射效果進(jìn)展：拉曼散射效果是印度物理學(xué)家拉曼(C . v . Raman)1928年首次發(fā)現(xiàn)的，本人也獲得了1930年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。19128940年，受到廣泛關(guān)注，一度是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。因?yàn)榭梢?jiàn)光光譜技術(shù)和照片感光技術(shù)發(fā)達(dá)；19140960年，拉曼光譜的地位急劇下降。由于拉曼效果太弱(入射強(qiáng)度約為10-6)，測(cè)試的樣品體積足夠大，需要無(wú)色、無(wú)塵、無(wú)熒光等。所以直到40年代中期，紅外技術(shù)的進(jìn)步和商業(yè)化使拉曼光譜的應(yīng)用一度衰退。自1960年以來(lái)，激光技術(shù)的發(fā)展使拉曼技術(shù)復(fù)蘇。激光束的亮度、方向、偏

7、振性等優(yōu)點(diǎn)使其成為拉曼光譜的理想光源。由于勘探技術(shù)的改進(jìn)和測(cè)試的樣品要求的減少，目前拉曼光譜在物理、化學(xué)、醫(yī)藥、產(chǎn)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，受到了研究者的關(guān)注。17，教信PPT，1928年，拉曼發(fā)現(xiàn)自發(fā)拉曼散射。他在散射光譜中除了原來(lái)的頻率成分外，還有新的頻率成分和。被稱為斯托克斯線，被稱為凡斯托克斯線。一般斯托克斯線比范斯托克斯線強(qiáng)幾個(gè)階段。圖6.1.1使用能量準(zhǔn)尉圖說(shuō)明拉曼散射的形成。18，隨著學(xué)習(xí)AC PPT的分子振動(dòng)能級(jí)的變化，適合于分子結(jié)構(gòu)分析，與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。19、學(xué)習(xí)AC PPT，將基態(tài)分子吸收頻率為p的泵光子轉(zhuǎn)換為虛擬能量準(zhǔn)尉，然后在虛擬能量準(zhǔn)尉中分子的振動(dòng)能量準(zhǔn)尉(第一激

8、發(fā)態(tài))，發(fā)射頻率為s的斯托克斯光子。20，學(xué)習(xí)AC PPT，將振動(dòng)能級(jí)的分子吸收頻率為p的光子轉(zhuǎn)換為其他虛擬能級(jí)，然后在此虛擬能級(jí)的基態(tài)，發(fā)射頻率為a的反斯托克斯光子。21，學(xué)習(xí)AC PPT，在熱平衡時(shí)，基態(tài)的分子數(shù)大于振動(dòng)旋轉(zhuǎn)能量準(zhǔn)上的分子數(shù)，因此產(chǎn)生頻率為s的光子比產(chǎn)生頻率為a的光子多得多，所以斯托克斯散射光比反斯托克斯散射光強(qiáng)得多。22，學(xué)習(xí)交流PPT，受激拉曼散射光譜不同于自發(fā)拉曼散射光譜，如上圖所示。受激拉曼散射譜中有很多高階散射譜。23，介紹了利用非線性耦合波方程學(xué)習(xí)交流PPT，分析受激拉曼散射過(guò)程的經(jīng)典理論。，頻率為的光場(chǎng)的耦合波方程如下：由于散射場(chǎng)是由頻率為的入射場(chǎng)的泵產(chǎn)生的，

9、因此相應(yīng)的非線性極化率為：24，AC PPT，并將(2)賦給(1)。由于介質(zhì)各向同性，可以用標(biāo)量方程解決。將非線性極化率分為實(shí)際部分和虛擬部分，實(shí)際部分反映相位調(diào)制，虛擬部分反映強(qiáng)度變化。在散射過(guò)程中，為了討論光和介質(zhì)的能量交換關(guān)系，僅考慮虛擬項(xiàng)目，25，學(xué)習(xí)通信PPT，其中g(shù)元素是，可見(jiàn)的，g是增益系數(shù)。你會(huì)看到小于零的東西。所以斯托克斯光場(chǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)。26，學(xué)習(xí)通信PPT目前由經(jīng)典電磁理論推導(dǎo)R(3)的具體表達(dá)。假設(shè)介質(zhì)系統(tǒng)的每個(gè)單位體積內(nèi)有n個(gè)沒(méi)有相互作用的分子諧振子。每個(gè)諧振子都有諧振頻率和衰減常數(shù)。諧振子的長(zhǎng)度與平衡狀態(tài)長(zhǎng)度Q0的偏差用q(t)表示。光場(chǎng)E (z，t)和偶極相互作用(

10、強(qiáng)迫振動(dòng))如圖6.1.3所示。27，學(xué)習(xí)AC PPT，描述分子強(qiáng)迫振動(dòng)的經(jīng)典運(yùn)動(dòng)方程是：表達(dá)式的外部電場(chǎng)作用力；m是構(gòu)成偶極的原子的質(zhì)量。28、學(xué)習(xí)交流PPT，偶極在電場(chǎng)中的極化強(qiáng)度為：中間電系數(shù)與極化率之間的關(guān)系為：式的分子電極化率。分子的極化率不統(tǒng)一。偶極受電場(chǎng)作用，強(qiáng)迫振動(dòng)，振蕩器長(zhǎng)度隨時(shí)間變化。即表達(dá)式中分子的平衡狀態(tài)的線性極化速度；第二個(gè)項(xiàng)目是非線性極化率。29學(xué)習(xí)AC PPT，場(chǎng)電場(chǎng)力的偶極：偶極的靜電能量，30，學(xué)習(xí)AC PPT，圖6.1.4顯示了受激拉曼散射形成的物理圖像。31，學(xué)習(xí)交流PPT，頻率抽運(yùn)激光入射介質(zhì)，通過(guò)頻率介質(zhì)振動(dòng)調(diào)制，生成頻率斯托克斯光；32，學(xué)習(xí)交換PPT

11、，這種振動(dòng)通過(guò)進(jìn)一步調(diào)制入射激光產(chǎn)生新的斯托克斯光，增加了斯托克斯光的雪崩。斯托克斯光和原始激光干涉，形成作用于介質(zhì)的頻率的新光場(chǎng)，增加基于頻率的振動(dòng)。33，定量描述了學(xué)習(xí)交換PPT、拉曼散射過(guò)程。將介質(zhì)的“總光”字段設(shè)置為：由于總光域中有兩個(gè)不同頻率的光，因此存在多個(gè)不同頻率的項(xiàng)，忽略了等頻率的項(xiàng)，只剩下低頻率的項(xiàng)。在這里學(xué)習(xí)定義，34，AC PPT，偶極的力可以表示為：求解運(yùn)動(dòng)方程(7)的嘗試解決方案：將(15)和(16)賦給(7)，從而學(xué)習(xí)(35，AC PPT)，因此偶極振動(dòng)的振幅為：介質(zhì)的極化強(qiáng)度為：36，學(xué)習(xí)aa其中，頻率由斯托克斯光引起的介質(zhì)的非線性極化強(qiáng)度是：拾取(21)具有相位

12、的項(xiàng)目。非線性極化強(qiáng)度的振幅為38，學(xué)習(xí)AC PPT，比較可以得到三階極化率公式。也就是說(shuō)，考慮到鄰近共振條件，常識(shí)可以寫成：三階非線性極化強(qiáng)度的定義、39、學(xué)習(xí)交流PPT、極化率可分為實(shí)際部分和虛擬部分。圖6.1.5顯示了受激拉曼斯托克斯散射光非線性極化率的實(shí)際部分和虛擬部分的曲線。40，學(xué)習(xí)交換PPT，如你所見(jiàn)，拉曼非線性極化率的虛擬部分是負(fù)數(shù)。也就是說(shuō)，由于場(chǎng)具有可以用(6)表示的正增益g，所以受激拉曼散射的斯托克斯場(chǎng)在z方向傳播。41，學(xué)習(xí)交換PPT同樣分析了范斯托克斯場(chǎng)的傳播規(guī)律，只要改變，范斯托克斯光的非線性極化率如下。因?yàn)橛嘘P(guān)系，即，42，學(xué)習(xí)交換PPT，實(shí)際和虛擬部分的表達(dá)在共

13、振條件下分別學(xué)習(xí)，43，交換PPT，所以g因子為負(fù)，反斯托克斯場(chǎng)根據(jù)z衰減。范斯托克斯場(chǎng)的振幅為44，學(xué)習(xí)通信PPT，圖6.1.6說(shuō)明了斯托克斯和范斯托克斯受激拉曼散射的非線性極化率之間的關(guān)系。，45，學(xué)習(xí)通信PPT，受激拉曼散射方向問(wèn)題。初級(jí)受激拉曼散射遵循能量和動(dòng)量守恒關(guān)系，受激斯托克斯和受激范斯托克斯同時(shí)存在。介質(zhì)對(duì)兩者的折射率一般不同，因此兩種散射光一般不共線。46，學(xué)習(xí)通信PPT，一階半斯托克斯散射光和入射激光通過(guò)三階非線性過(guò)程發(fā)生，以下波矢量匹配條件，47，學(xué)習(xí)通信PPT，能量保存條件，48，49，學(xué)習(xí)交換PPT，紅寶石激光入射硝基苯的拉曼散射實(shí)驗(yàn)證明，每個(gè)階拉曼散射以一定的錐體角

14、度發(fā)射，形成環(huán)形。每個(gè)階斯托克斯的最大強(qiáng)度位于圓環(huán)的中心，圓環(huán)的邊緣有多個(gè)最大環(huán)。50，學(xué)習(xí)交流PPT，激光輸出光頻移器，激光輸出頻率范圍擴(kuò)展；拉曼放大器在光通信中的受激拉曼散射的重要應(yīng)用，可以用光泵光纖產(chǎn)生等頻率間隔的多光束，可用于放大寬帶波分復(fù)用信號(hào)光學(xué)；用作硅波導(dǎo)拉曼激光器，使用1.54微米脈沖激光抽運(yùn)硅波導(dǎo)生成1.675微米斯托克斯激光輸出。51，學(xué)習(xí)AC PPT，2，誘導(dǎo)布里淵散射，與自發(fā)布布里淵散射不同，誘導(dǎo)布里淵散射在激光電場(chǎng)下，通過(guò)電伸縮效應(yīng)，在介質(zhì)中產(chǎn)生周期密度和介電常數(shù)的變化，誘導(dǎo)音波場(chǎng)，入射光和聲波場(chǎng)之間的一致散射過(guò)程。布里淵散射源于激光電場(chǎng)與分子或固體中聲波場(chǎng)的相互作用

15、，即光子與聲子的相互作用，也稱為聲子散射。強(qiáng)入射激光場(chǎng)是在介質(zhì)中探測(cè)和散射強(qiáng)聲波場(chǎng)的非線性光效應(yīng)。(模擬藍(lán)光發(fā)射散射)，52，AC PPT學(xué)習(xí)，強(qiáng)抽運(yùn)激光場(chǎng)進(jìn)入介質(zhì)時(shí)，光波的電伸縮效應(yīng)開(kāi)始工作，介質(zhì)中特定狀態(tài)的聲振(聲子)大大增強(qiáng)，增強(qiáng)的音波場(chǎng)反過(guò)來(lái)提高入射光的散射，以及，入射激光的強(qiáng)度達(dá)到閾值時(shí)，介質(zhì)的音波場(chǎng)和散射光場(chǎng)的提高補(bǔ)償了各自的損失效果，誘導(dǎo)音波場(chǎng)和布里淵散射光場(chǎng)的誘導(dǎo)放大或振動(dòng)效應(yīng)，散射光具有受刺激的發(fā)射特性，如發(fā)射角度小，線寬小，所以被稱為誘導(dǎo)布里淵散射(SBS)。53，學(xué)習(xí)交流PPT，入射光子，散射斯托克斯光子和聲子之間必須滿足能量守恒和動(dòng)量守恒。布里淵散射分為前向散射和后向散射，動(dòng)量匹配如圖6.2.1所示。54，學(xué)習(xí)交換PPT，聲波矢量和之間的關(guān)系是介質(zhì)的聲速。因?yàn)榭梢哉J(rèn)為聲速比光速小幾個(gè)。如圖6.2.1所示，55，學(xué)習(xí)通信PPT，風(fēng)格：這里是散射波和入射光波的角度。時(shí)無(wú)，即布里淵頻移；使用最大值時(shí)，向后散射到布里淵的頻率最大。測(cè)量結(jié)束后，將RF移動(dòng)到布里淵，可以利用常識(shí)計(jì)算介質(zhì)的聲速。56、學(xué)習(xí)通信PPT，刺激布里淵散射經(jīng)典理論，在此簡(jiǎn)要介紹了相關(guān)的處理方法，我們可以采用類似沖擊