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非 线 性 光 学Nonlinear Optics 本章问题： 什么是非线性光学？研究非线性光学有什么意义？ 非线性光学包含什么内容？它的发展历史和趋势是什么？ 非线性光学有什么应用价值？ 1.1 非线性光学的意义 1.1.1 非线性光学是非线性物理学的分支学科 现代物理学是建立在怎样的基石上？ 量子物理学——研究分子、原子、基本粒子等微观世界规律的理论。 相对论物理学——研究物体高速运动规律与大质量物体的引力理论。 非线性物理学——研究物质强相互作用下的非线性效应的理论。 包含在物理学的各个领域：非线性力学，非线性声学，非线性热学，非线性电子学，以及非线性光学等。 非线性光学是非线性物理学的一个分支，它是描述激光与物质发生相互作用产生非线性效应的科学。 1.1.2 非线性光学是现代光学的分支学科 20世纪60年代初人类发现了激光，从此诞生了现代光学。 “传统光学”——基于自发辐射普通光源的光学； “现代光学”——基于受激辐射激光光源的光学。 现代光学围绕激光的研究和应用形成了几个较成熟的分支学科： 1.1.3 非线性光学是研究激光与物质相互作用的学科 2）主动非线性光学效应与被动非线性光学效应 被动非线性光学效应 特点：光与介质间无能量交换；而不同频率的光波间能够发生能量交换。 例如：倍频，三波混频，参量过程，四波混频，相位共轭，…。 2. 主动非线性光学效应 特点：光与介质间会发生能量交换；介质的物理参量与光场强度有关。 非线性吸收——饱和吸收、反饱和吸收、双光子吸收等； 非线性折射——光克尔效应、自聚焦与自散焦、折射率饱和与反饱和等； 非线性散射——受激拉曼散射、受激布里渊散射等。 饱和吸收 1.1.4 非线性光学现象是高阶极化现象 1.1.5非线性光学现象是介质的参量与光有关的现象 1.2 非线性光学的发展 1.2.1 非线性光学的发展简史 1.非线性光学初期创立阶段 1961年，Franken实验发现红宝石激光的倍频； 1962年-1964年，发现受激拉曼散射、激布里渊散射； 1962年-1965年，发现和频、差频、参量振荡、四波混频； 1963年-1965年，发现饱和吸收、反饱和吸收、双光子吸收； 1964年-1966年，发现自聚焦和自相位调制； 1965年，实验发现光学相位共轭； 1965年，N.Bloembergen出版“Nonlinear Optical Phenomena”一书。 3.非线性光学初步应用阶段 1985年-1987年 发现新型非线性光学晶体，推动ps和fs瞬态光学； 1987年，开始研究有机材料激发态非线性光学，推动光限制器研究; 1987年，光子晶体的提出，推动了非线性光子晶体理论与器件的研究； 1989年，掺铒光纤放大器的发明，推动了光纤通信的发 展； 1995年，研究手性分子材料非线性光学；推动生物光学的发展； 90年代初，光孤子通信实验成功，推动孤子通信发展； 90年代末，DWDM光通信技术的发展，对波长转换器、光开关、拉曼放大器等非线性光学器件提出需求； 90年代末，完成远程量子信息传输实验，促进量子通信技术发展。 1.2.2 非线性光学研究的发展趋势 1）非线性光学规律研究的发展趋势： 2）非线性光学材料研究的发展趋势： 1.3 非线性光学的应用 1.3.1 非线性光学是光子学与纳米光子学的基础 1.3.2 非线性光学的应用 End 研究对象从稳态转向动态； 所用光源从连续、宽脉冲转向纳秒、皮秒和飞秒超短脉冲； 从强光非线性的研究转向弱光非线性研究； 从基态－激发态跃迁非线性光学研究转向激发态－更高激发态跃迁非线性光学研究；从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象； 从二能级模型的研究转向多能级模型的研究； 研究物质的尺度从宏观尺度（衍射光学），到介观（纳米）尺度（近场光学），再到微观尺度（量子光学）。 从晶体材料到非晶体材料； 从无机材料到有机材料； 从对称材料到非对称材料（手性材料）； 从单一材料到复合材料； 从高维材料到低维材料，如从三维的体块材料到二维的表面、薄膜材料； 从宏观材料到纳米材料，如半导体量子线和量子点、光子晶体、以及纳米管、纳米球和团簇材料等。 返回 徐州师范大学物理与电子工程学院 * 徐州师范大学　物理与电子工程学院 第一章　绪论 主要应用 研究对象 分支学科 激光物理学 激光器理论以及提高激光品质的方法 各种工作物质、腔结构和输出脉宽的激光器研制；激光的放大与调制；激光频率、模式、脉宽、偏振、速度的控制技术。 激光产生强场、高温、高压等极端环境。 激光控制电子、原子、分子、细胞等。 激光照明、显示、遥测、传感、热加工。 非线性光学 激光与物质相互作用产