* 非线性光学简介

1. * 非线性光学简介 （nonlinear optics） 图为中国科学院福建物质结构研究所研制的非线性光学晶体三硼酸锂，被美国评为1989年度国际激光与光电子技术领域十大产品之一

2. *非线性光学简介 弱光在介质中符合叠加原理 —线性光学 强光在介质中不符合叠加原理 —非线性光学 对各向同性介质 ★ 当电场强度 E 不太大时（弱光） 极化强度 —— P与E 成线性关系 —— 介质的电极化率 式中

3. E原子  1010 V/m ★当电场强度 E 很大时（强光） —— E 和 P 呈非线性关系 —— 线性极化率 —— 二次（阶）非线性极化率 —— 三次（阶）非线性极化率 可以证明，各次极化率间有如下关系： 各向异性介质中，极化率是张量，P 和 E 的关系 较复杂，这里不再做介绍。

4.  对普通光 E ～ 10 4 V/m， 此时 高阶项不重要，只留第一项，是线性效应。  对激光 E 可很容易达到并超过10 8 V/m 此时第二项 介质就表现 就不能忽略了， 出了各种非线性效应。 1961年弗兰肯（P.A.Farnken）等首先观察到 此后，非线性光学发 光学倍频这一非线性现象。 展迅速，并很快形成为一个专门的新兴的学科。

5. 直流成分 二倍频 下面举例介绍几种常见的非线性光学现象： 一. 倍频效应 由极化强度 P 中的第二项0（2）E 2引起的 二阶非线性效应： 原有频率 则 若 E =E0 cos t， 第一项0（1）E= 0（1）E0 cos t 第二项0（2）E 2 =0（2）E02 cos2 t = 0（2）E02/ 2（1+cos2 t）

6. 3471.5Å 水晶片 6943 Å 红宝石激光器 脉冲 棱镜 倍 Nd3+激光器→1.064m→ 0.532m 绿光 频 ▲ 光整流效应： P 中的直流成分表明，光照晶体 可在晶体的某两个表面间产生直流电压。 ▲ 二倍频现象： ◆ 使不可见光→可见光（改变光颜色）； 应用： ◆可提高产生所需频率激光的效率。 例如： 钕 不可见 可见 易获高功率 用途广 演示 激光倍频（KG045）

7. 由二极管泵浦的Nd:YAG激光器产生的二倍频激光（532nm）装置 （采用自调Q、腔内倍频技术，清华大学物理系研制）

8. 倍频项 差频项 和频项 二. 混频效应 设输入两束光，角频率为 1 、 2 总场强 E = E10 cos 1 t + E20 cos 2 t 则二次项： （2）E2 = （2）（E10 cos1t + E20 cos2t）2 = （2）E102 /2（1+cos21t）+ +（2）E202 /2（1+cos22t）+ +（2）E10 E20  cos(1+2)t + cos(1-2)t 

9. 激光器1  1  1  2 2  1  1 2  2  2  1  2  1+  2  2 晶体 （KH2PO4） 激光器2  1- 2  1+ 2  1 2 2 1 2 2 和频与差频能获得更多频率的相干强光辐射。 例如，利用和频可产生可见光至紫外的强光辐射， 而用差频则可产生波长较长的红外至亚毫米段微 波区的强光辐射。

10. 三 . 光致透明和光学双稳态 激光很强时，物质的吸收系数会与光强有关。 物质的吸收系数正比于上、下能级粒子数差。 强光可使物质分子的一半处于激发态， 此时吸 收系数为0，从而使本来不透明的物质变得透明 ——光致透明。 在电磁学中，磁滞回线（即 B～H曲线）有 非线性性质， 利用它可以制作记忆元件。 非线性光学中也有类似于磁滞回线的现象：

11. I0 I 非线性 电光晶体 法布里— 珀罗腔 0 透明 不透明 I0 —为入射光强 I — 为透射光强 入射光强与透射光强间具有滞后回线的特性。 在I0和 I0区间内，每一入射光的光强所对应的 ——光学双稳态。 透射光的光强有两种稳定状态 高速光通讯、 光学双稳态器件有可能用在： 光学图象处理、 光学限幅器、 光存储 以及光学 逻辑元件等方面。

12. 半导体制成的光学双稳态器件有如下特点：  尺寸小：直径几 mm 厚度101 ～102m  功耗低：10 W/m2 ～ 1 W/m2  开关时间短： ～ 10 - 12 s 它有可能成为未来的光学计算机的逻辑元件。 当前光学双稳态已成为非常活跃的研究课题。 除以上举例介绍的几种非线性光学效应外， 自聚 常见的非线性光学效应还有受激拉曼散射、 焦与自散焦、 多光子吸收等，此处再不介绍了。 “非线性光学简介”结束