非線性光學

現代光學的一個分支，研究介質在強相干光作用下產生的非線性現象及其套用。研究非線性光學對雷射技術、光譜學的發展以及物質結構分析等都有重要意義。常用的二階非線性光學晶體有磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氫銨（ADP）、磷酸二氘鉀(KD*P)、鈮酸鋇鈉等。此外還發現了許多三階非線性光學材料。

基本介紹

• 中文名：非線性光學
• 外文名：non-linear optics
• 條件：強相干光
• 意義：利於雷射技術、光譜學的發展
• 光學晶體：磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨等
• 學科：光學

基本信息

雷射問世之前，基本上是研究弱光束在介質中的傳播，確定介質光學性質的折射率或極化率是與光強無關的常量，介質的極化強度正比於光波的電場強度E，光波疊加時遵守線性疊加原理（見光的獨立傳播原理 ）。在上述條件下研究光學問題稱為線性光學。對很強的雷射，例如當光波的電場強度可與原子內部的庫侖場相比擬時，光與介質的相互作用將產生非線性效應，反映介質性質的物理量（如極化強度等）不僅與場強E的一次方有關，而且還決定於E的更高冪次項，從而導致線性光學中不明顯的許多新現象。

非線性光學 效應

公式

介質極化率P與場強E的關係可寫成：

。

非線性效應是E的一次方項，以及比其更高次方的項共同起作用所產生的結果。

發展

非線性光學的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效應的發現和1929年克爾效應的發現。但是非線性光學發展成為今天這樣一門重要學科，應該說是從雷射出現後才開始的。雷射的出現為人們提供了強度高和相干性好的光束。而這樣的光束正是發現各種非線性光學效應所必需的(一般來說，功率密度要大於10¹⁰W/cm²（但對不同介質和不同效應有著巨大差異）。

泡克耳斯效應

自從1961年，P.A.弗蘭肯等人首次發現光學二次諧波以來，非線性光學的發展大致經歷了三個不同的時期。第一個時期是1961～1965年。這個時期的特點是新的非線性光學效應大量而迅速地出現。諸如光學諧波、光學和頻與差頻、光學參量放大與振盪、多光子吸收、光束自聚焦以及受雷射散射等等都是這個時期發現的。第二個時期是1965～1969年。這個時期一方面還在繼續發現一些新的非線性光學效應，例如非線性光譜方面的效應、各種瞬態相干效應、光致擊穿等等；另一方面則主要致力於對已發現的效應進行更深入的了解，以及發展各種非線性光學器件。第三個時期是70年代至今。這個時期是非線性光學日趨成熟的時期。其特點是：由以固體非線性效應為主的研究擴展到包括氣體、原子蒸氣、液體、固體以至液晶的非線性效應的研究；由二階非線性效應為主的研究發展到三階、五階以至更高階效應的研究；由一般非線性效應發展到共振非線性效應的研究；就時間範疇而言，則由納秒進入皮秒領域。這些特點都是和雷射調諧技術以及超短脈衝雷射技術的發展密切相關的。

光學現象

①光學整流。E²項的存在將引起介質的恆定極化項，產生恆定的極化電荷和相應的電勢差，電勢差與光強成正比而與頻率無關，類似於交流電經整流管整流後得到直流電壓。

②產生高次諧波。弱光進入介質後頻率保持不變。強光進入介質後，由於介質的非線性效應，除原來的頻率ω外，還將出現2ω、3ω、……等的高次諧波。1961年美國的P.A.弗蘭肯和他的同事們首次在實驗上觀察到二次諧波。他們把紅寶石雷射器發出的3kW紅色（6943Å）雷射脈衝聚焦到石英晶片上，觀察到了波長為3471.5Å的紫外二次諧波。若把一塊鈮酸鋇鈉晶體放在1W、1.06μm波長的雷射器腔內，可得到連續的1瓦二次諧波雷射，波長為5323Å（1Å=10^-10m）。非線性介質的這種倍頻效應在雷射技術中有重要套用。

③光學混頻。當兩束頻率為ω₁和 ω₂（ω₁>ω₂）的雷射同時射入介質時，如果只考慮極化強度P的二次項，將產生頻率為（ω₁+ω₂）的和頻項和頻率為（ω₁-ω₂）的差頻項。利用光學混頻效應可製作光學參量振盪器，這是一種可在很寬範圍內調諧的類似雷射器的光源，可發射從紅外到紫外的相干輻射。

④受激拉曼散射。普通光源產生的拉曼散射是自發拉曼散射，散射光是不相干的。當入射光採用很強的雷射時，由於雷射輻射與物質分子的強烈作用，使散射過程具有受激輻射的性質，稱受激拉曼散射。所產生的拉曼散射光具有很高的相干性，其強度也比自發拉曼散射光強得多。利用受激拉曼散射可獲得多種新波長的相干輻射，並為深入研究強光與物質相互作用的規律提供手段。

⑤自聚焦。介質在強光作用下折射率將隨光強的增加而增大。雷射束的強度具有高斯分布，光強在中軸處最大，並向外圍遞減，於是雷射束的軸線附近有較大的折射率，像凸透鏡一樣光束將向軸線自動會聚，直到光束達到一細絲極限（直徑約5×10^-6m），並可在這細絲範圍內產生全反射，猶如光在光學纖維內傳播一樣。

⑥光致透明。弱光下介質的吸收係數（見光的吸收）與光強無關，但對很強的雷射，介質的吸收係數與光強有依賴關係，某些本來不透明的介質在強光作用下吸收係數會變為零。

研究非線性光學對雷射技術、光譜學的發展以及物質結構分析等都有重要意義。非線性光學研究是各類系統中非線性現象共同規律的一門交叉科學。在非線性光學的研究熱點包括：研究及尋找新的非線性光學材料例如有機高分子或有機晶體等。並研討這些材料是否可以作為二波混合、四波混合、自發振盪和相位反轉光放大器等、甚至空間光固子介質等。常用的二階非線性光學晶體有磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氫銨（ADP）、磷酸二氘鉀(KD*P)、鈮酸鋇鈉等。此外還發現了許多三階非線性光學材料。

套用

從技術領域到研究領域，非線性光學的套用都是十分廣泛的。例如：①利用各種非線性晶體做成電光開關和實現雷射的調製。②利用二次及三次諧波的產生、二階及三階光學和頻與差頻實現雷射頻率的轉換，獲得短至紫外、真空紫外，長至遠紅外的各種雷射；同時，可通過實現紅外頻率的上轉換來克服在紅外接收方面的困難。③利用光學參量振盪實現雷射頻率的調諧。與倍頻、混頻技術相結合已可實現從中紅外一直到真空紫外寬廣範圍內調諧。④利用一些非線性光學效應中輸出光束所具有的位相共軛特徵，進行光學信息處理、改善成像質量和光束質量。⑤利用折射率隨光強變化的性質做成非線性標準具和各種雙穩器件。⑥利用各種非線性光學效應，特別是共振非線性光學效應及各種瞬態相干光學效應，研究物質的高激發態及高解析度光譜以及物質內部能量和激發的轉移過程及其他弛豫過程等。

光學晶體

光學晶體(optical crystal)用作光學介質材料的晶體材料。主要用於製作紫外和紅外區域視窗、透鏡和稜鏡。按晶體結構分為單晶和多晶。由於單晶材料具有高的晶體完整性和光透過率，以及低的輸入損耗，因此常用的光學晶體以單晶為主。

光通信和集成光學通常使用非線性光學晶體，包括準相位匹配（QPM）多疇結構晶體材料與元器件；雷射電視紅、綠、藍三基色光源使用的非線性光學晶體；套用於下一代光碟藍光光源的半導體倍頻晶體（如KN和某些可能的QPM產品）；新型紅外、紫外、深紫外非線性晶體的研發和生產。

非線性光學晶體