非线性光学及其应用.pptVIP

主讲人： 李双浩 1.什么是非线性光学？？ 2.非线性光学历史回顾. 3.非线性光学的应用. 什么是非线性光学？？ 非线性光学是现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。 激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理。 1893年由德国物理学家F.C.A.泡克耳斯发现。一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应。例如把磷酸二氢钾晶体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构成能产生电场的电容器，晶体的光轴与电容器极板的法线一致，入射光沿晶体光轴入射。不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过P2。加电场后，晶体感生双折射，就有光通过P2。泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用于光闸、激光器的Q开关和光波调制等。 与电场二次方成正比的电感应双折射现象。放在电场中的物质，由于其分子受到电力的作用而发生取向(偏转)，呈现各向异性，结果产生双折射，即沿两个不同方向物质对光的折射能力有所不同。 这一现象是1875年J.克尔发现的。后人称它为克尔电光效应，或简称克尔效应。 谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以I区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为lOOHz，3次谐波则是150Hz。 非线性光学的应用 1.光学变频效应 不同频率的光波之间进行能量变换,引起频率转换的 各种混频现象叫做光学变频效应. 光学变频效应包 括由介质的二阶非线性电极 化所引起的光学倍频、 光 学和频与差频效应、 光学 参量放大与振荡效应,还包 括由介质的三阶非线性电 极化所引起的四波混频效应. 2.光的受激散射效应 光通过介质时都有一部分能量偏离预定的方向而向空间其他方向弥散开来,这种现象叫光的散射.激光出现以后,以单色高亮度的激光作为入射光束,不但使光的散射现象更易于观测和研究,而且各种散射过程由自发散射转变为受激散射,散射光是具有高度方向性的相干光,其强度也会有几个数量级的增加. 我们把这类现象称为光的受激散射效应. 3.光学相位共轭效应 3.1 用于激光器光束质量的改善 在普通激光共振腔情况下 ,增益介质的不均 匀性、 热畸变以及光学元件所引起的相位与极化 的像差是限制激光器输出光束定向性和亮度水平 的主要因素.利用具有产生相位共轭波能力的反 射体代替普通反射镜组成激光共振腔 ,具有自动 消除增益介质所产生的动态光程畸变影响的能 力 ,从而保证了在腔的另一输出端获得波面规则 的高亮度激光输出. 3.2 用于实现精密瞄准打靶 一台大功率激光器所输出的光能足以引爆核聚变的弹丸或摧毁军事上 的飞行物 ,但由于光路介质和光学元件不均匀性以及调整光路技术上 的原因 ,不可避免地使光束变形、 发散 ,无法达到引爆或摧毁的目的 光学位相共轭技术提供 了一个解决这方面问题的思路.图中利用相位共轭波进 远距离激光打靶的一种原理方案图. 先用一发散角较大 低功率激光器发出寻的光束照射靶目标 ,由靶面发射的 部分光波经过扰动介质后返回发射端 , 经小信号激光放大器后入射到相位共 轭波反射体 ,所产生的反向相位共轭 波经激光功率(能量)放大器后 ,穿过扰 动介质完全准确地击中靶面被照明的 部分. 美国国家点火装置实验室的俯视图 工程技术人员调整靶位 神光II靶室 神光II自动准系统 神光II能库 神光II大厅 4.光学双稳态效应 在电子学中 ,双稳态是一个单元电路 ,它对于 同一个输入电信号具有高低不同的两个电阻值; 在光子学中 ,双稳态则是一个光学元件 ,它对于同 一个入射光强具有高低不同的两个透射率 ,称为 光学双稳态.它对于理解光信息的存储、 运算和逻 辑处理等有重要意义. 5.光学孤子 光波、 声波或水波都有一个共同的特点: 传 播越远 ,扩展越大.如果波在传播时保持稳定的形 状而不扩展 ,这样的波就称为孤子波 ( solitary wave) .由于这样的波在相互作用时具有粒子的特 性 ,故又称为孤子(soliton) .在光学领域里 ,由于色 散 ,使得超短脉冲会