非线性光学效应及其应用

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物理与工程 Vol.14 No.2 2004

非线性光学效应及其应用

张粉英1 张 勇2

(1扬州教育学院物理系,江苏 )

(2东南大学物理系,)

(2)

摘 要 ,并采用量子

.

关键词 ;;光倍频;光学共轭

NONLINEAROPTICALEFFECTANDITSAPPLICATION

ZhangFenying1 ZhangYong2

(1DepartmentofPhysics,YangzhouCollegeofEducation,Yangzhou 225007)

(2DepartmentofPhysicsSoutheastUniversity,Nanjing 210096)

Abstract Inthispaper,wedisscussedsometypicalexamplesaboutnonlinearopticaleffectbasedonthenonlinearpolarizationtheoryofmedium,introduceditsapplicationandprinciples,studieditsmechanismusingquantummechanics.

KeyWords nonlinearoptics;polarization;doublefrequency;opticalconjugate

  非线性光学研究相干光与物质相互作用时出现的各种新现象的产生机制、过程规律及应用途径,是在激光出现后迅速发展起来的光学的一个新分支.非线性光学的研究在激光技术、光通信、信息和图像的处理与存储、光计算等方面有着重要的应用,具有重大的应用价值和深远的科学意义.本文在介绍非线性光学效应基本理论的基础上,着重讨论几种典型非线性光学效应及其在科学研究和工程技术中的应用.1 光场与介质相互作用的基本理论1.1 介质的非线性电极化理论

  在入射光场作用下,组成介质的原子、分子或离子的运动状态和电荷分布都要发生一定形式的变化,形成电偶极子,产生电偶极矩并进而辐射出新的光波.在此过程中,介质的电极化强度矢量P是一个重要的物理量.P与入射光矢量E成非线

性关系,即

)(1)P=ε0(χ1E+χ2EE+χ3EEE+…

式中χ1,χ2,χ3分别称为介质的一阶(线性)、二阶、三阶(非线性)极化率.研究表明χ1,χ2,χ3…依次减弱,在普通光入射情况下,二阶以上的电极化强度均可忽略,介质只表现出线性光学性质.而当用单色强激光入射,光场强度|E|的数量级可与|E0|(|E0|为原子内平均电场强度大小)相比或者接近,二阶或三阶电极化强度的贡献不可忽略,就会产生非线性光学效应.

既然介质中的感应电偶极子辐射出新的光波,产生非线性光学效应,那么新光波的光矢量如何由电极化强度决定呢?这可以从麦克斯韦方程组推导出的波动方程加以说明.1.2 光与介质非线性作用的波动方程

对于非磁性绝缘透明光学介质而言,麦克斯韦方程组为

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