第5章_三阶非线性光学效应精讲.ppt

第5章 三阶非线性光学效应 5.1 克尔效应与自聚焦现象 5.2 三次谐波产生 5.3 四波混频 5.4 双光子吸收 5.5 受激喇曼散射（SRS） 5.6 受激布里渊散射（SBS） 5.7 受激光散射现象的一般考虑 5.1 克尔效应与自聚焦现象 5.1.1 克尔效应 1. 克尔效应 克尔（Kerr）在1875年发现: 线偏振光通过外加电场作用的玻璃时, 会变成椭圆偏振光, 如图5.1 - 1所示, 当旋转检偏器时, 输出光不消失。作用下, 由原来的各向同性变成了光学各向异性, 外加电场感应引起了双折射, 其折射率的变化与外加电场的平方成正比, 这就是著名的克尔效应。 从非线性光学的角度来看, 克尔效应是外加恒定电场和光电场在介质中通过三阶非线性极化率产生的三阶非线性极化效应。 假定介质受到恒定电场E0和光电场Eexp(iωt)+c.c.的作用, 按(1.1 - 39)式和(1.1 - 41)式有 这表示由于三阶非线性极化的作用, 恒定电场的存在使得介质的介电张量元素 改变了 , 且 2. 光克尔效应 现在进一步讨论用另一光电场代替恒定电场E0的光克尔效应。 假定频率为ω的光电场作用于介质的同时, 还有另一束任意频率为ω′的光电场作用于该介质, 则由于ω′光电场的作用, 会使介质对ω光波的作用有所改变。 通过三阶非线性极化效应, 将产生与频率为ω′光电场平方有关的三阶非线性极化强度的复振幅P(3) (ω)为 假定频率为ω的光波沿z方向传播, 由(5.1 - 3)式可得 5.1.2 激光束的自聚焦现象 上述的光克尔效应中，光波的频率ω与产生效应的光波频率ω’不相同，实际上，一束强的光波本身就能起到产生该效应的光波作用。 自聚焦是感生透镜效应, 这种效应是由于通过非线性介质的激光束的自作用使其波面发生畸变造成的。 现假定一束具有高斯横向分布的激光在介质中传播, 此时介质的折射率为 光强分布引起折射率变化还会造成光的群速度变化, 图5.1 - 4表示一时域高斯光脉冲在非线性介质中传播一定距离后, 脉冲后沿变陡的现象。 这是由于脉冲峰值处折射率大, 光速慢， 而在后沿, 光强逐渐下降, 光速逐渐增大, 以致后面部分的光“赶上”前面部分的光, 造成光脉冲后沿变陡。 这就是光脉冲的自变陡现象。 自聚焦现象的研究始于1964年, 促使对这种现象的研究主要有以下两个因素: （1） 高功率密度激光在透明介质中传播时会发生所谓的丝状破坏。 （2） 在研究受激喇曼散射过程中观察到一些反常现象, 如许多固体和液体中, 受激喇曼散射有一个非常尖锐的阈值, 有异常高的增益, 前后向增益不对称, 有反常的反斯托克斯环等。经研究表明，这些现象都与激光束自聚焦现象相关。 引起光束自聚焦的原因是光致折射率的变化, 而光致折射率变化的物理机制是多种多样的, 归纳起来主要有: （1） 强光场使组成介质的分子或原子中的电子分布发生变化, 这导致介质宏观电极化的变化, 从而使折射率发生变化。引起折射率变化的响应时间fs量级。 （2） 对含有各向异性分子的液体（如CS2、 苯及其衍生物）来说, 由于各向异性分子在不同方向上有不同的分子极化率, 这时与分子取向有关的高频克尔效应是引起折射率变化的主要原因。引起折射率变化的响应时间ps量级。 （3） 在强光场作用下的电致伸缩效应使介质密度发生起伏, 从而引起折射率发生相应的变化。引起折射率变化的响应时间ns量级。 （4） 由于各种介质对入射光束均存在着不同程度的吸收, 导致介质温度升高, 从而引起介质折射率变化。引起折射率变化的响应时间s量级。 5.1.3 自聚焦的稳态理论 考虑到三阶非线性效应, 在光场作用下各向同性介质的介电常数发生变化, 总的相对介电常数为 由此, 在(5.1 - 15)式中, 是线性折射率, Δn是非线性折射率。 因为通常n0Δn, 所以由(5.1 - 18)式可得 5.1.5 光束的自相位调制 假定输入光束为均匀平面波, 则振幅函数满足的方程可以写为 5.2 三次谐波产生 5.2.1 平面波的三次谐波产生 ?