科普文：线性光学、非线性光学.docx

科普文：线性光学、非线性光学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（见 光的独立传播原理）在上述条件下研究光学问题称为线性光学对很强的激光，例如当光 波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反 映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更 高幕次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象介质极化率P与场强的关系可写成P=a lE+a 2E2+a 3E3+…非线性效应是E项及更高幕次项起作用的结果发展简史非线性光学的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效应的发现和1929年克尔效 应的发现但是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始 的激光的出现为人们提供了强度高和相干性好的光束而这样的光束正是发现各种非线性 光学效应所必需的（一般来说，功率密度要大于10〜1 OW/cm,但对不同介质和不同效应有着 巨大差异）。

自从1961年P.A.弗兰肯等人首次发现光学二次谐波以来，非线性光学的发展大 致经历了三个不同的时期第一个时期是1961〜1965年这个时期的特点是新的非线性光 学效应大量而迅速地出现诸如光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子 吸收、光束自聚焦以及受激光散射等等都是这个时期发现的第二个时期是1965〜1969年 这个时期一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应，例如非线性光谱方面的效应、各种 瞬态相干效应、光致击穿等等；另一方面则主要致力于对已发现的效应进行更深入的了解， 以及发展各种非线性光学器件第三个时期是70年代至今这个时期是非线性光学日趋成 熟的时期其特点是：由以固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、 固体以至液晶的非线性效应的研究；由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至更 高阶效应的研究；由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究；就时间范畴而言，则由 纳秒进入皮秒领域这些特点都是和激光调谐技术以及超短脉冲激光技术的发展密切相关 的常见非线性光学现象有：①光学整流E2项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的 极化电荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关，类似于交流电经整流管整流 后得到直流电压。

②产生高次谐波弱光进入介质后频率保持不变强光进入介质后，由于 介质的非线性效应，除原来的频率3外，还将出现2w、3W、……等的高次谐波1961年 美国的P.A.弗兰肯和他的同事们首次在实验上观察到二次谐波他们把红宝石激光器发出的 3 千瓦红色（6943 埃）激光脉冲聚焦到石英晶片上，观察到了波长为3471.5 埃的紫外二次 谐波若把一块铌酸钡钠晶体放在1瓦、 1.06微米波长的激光器腔内，可得到连续的1瓦二 次谐波激光，波长为5323埃非线性介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用③光 学混频当两束频率为3 1和3 2（3 1>3 2）的激光同时射入介质时，如果只考虑极化强 度P的二次项，将产生频率为3 1 + 3 2的和频项和频率为3 1—3 2的差频项利用光学混 频效应可制作光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可发射 从红外到紫外的相干辐射④受激拉曼散射普通光源产生的拉曼散射是自发拉曼散射，散 射光是不相干的当入射光采用很强的激光时，由于激光辐射与物质分子的强烈作用，使散 射过程具有受激辐射的性质，称受激拉曼散射所产生的拉曼散射光具有很高的相干性，其 强度也比自发拉曼散射光强得多。

利用受激拉曼散射可获得多种新波长的相干辐射，并为深 入研究强光与物质相互作用的规律提供手段⑤自聚焦介质在强光作用下折射率将随光强 的增加而增大激光束的强度具有高斯分布，光强在中轴处最大，并向外围递减，于是激光 束的轴线附近有较大的折射率，像凸透镜一样光束将向轴线自动会聚，直到光束达到一细丝 极限（直径约5X10-6米），并可在这细丝范围内产生全反射，犹如光在光学纤维内传播一 样⑥光致透明弱光下介质的吸收系数（见光的吸收）与光强无关，但对很强的激光，介 质的吸收系数与光强有依赖关系，某些本来不透明的介质在强光作用下吸收系数会变为零研究非线性光学对激光技术、光谱学的发展以及物质结构分析等都有重要意义非线性光学 研究是各类系统中非线性现象共同规律的一门交叉科学目前在非线性光学的研究热点包 括：研究及寻找新的非线性光学材料例如有机高分子或有机晶体等并研讨这些材料是否可 以作为二波混合、四波混合、自发振荡和相位反转光放大器等、甚至空间光固子介质等常 用的二阶非线性光学晶体有磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氢铵（ADP）、磷酸二氘钾（KD*P）、 铌酸钡钠等此外还发现了许多三阶非线性光学材料应用 从技术领域到研究领域，非线性光学的应用都是十分广泛的。

例如：①利用各种非 线性晶体做成电光开关和实现激光的调制②利用二次及三次谐波的产生、二阶及三阶光学 和频与差频实现激光频率的转换，获得短至紫外、真空紫外，长至远红外的各种激光；同时， 可通过实现红外频率的上转换来克服目前在红外接收方面的困难③利用光学参量振荡实现 激光频率的调谐目前，与倍频、混频技术相结合已可实现从中红外一直到真空紫外宽广范 围内调谐④利用一些非线性光学效应中输出光束所具有的位相共轭特征，进行光学信息处 理、改善成像质量和光束质量⑤利用折射率随光强变化的性质做成非线性标准具和各种双 稳器件⑥利用各种非线性光学效应,特别是共振非线性光学效应及各种瞬态相干光学效应, 研究物质的高激发态及高分辨率光谱以及物质内部能量和激发的转移过程及其他弛豫过程 等。