非线性光学 天津大学精仪学院光电一室 2013-3-25
非线性光学讲议 授课对象：光电子技术专业高年级本科生 课程要求：理解非线性光学的基本原理，掌握倍频、混频及光参量振荡等非线性光学频率变换的基本手段及其应用。了解激光束的自作用、受激散射、光学相位共轭及光学双稳态的原理和实验装置。 学时：32 学分：2
目录 绪论 (1) 第一章非线性光学极化率的经典描述 (5) 1.1极化率的色散特性 (5) 1.1.1介质中的麦克斯韦方程 (5) 1.1.2极化率的色散特性 (6) 1.1.3极化率的单位 (10) 1.2非线性光学极化率的经典描述 (11) 1.2.1一维振子的线性响应 (11) 1.2.2一维振子的非线性响应 (13) 1.3非线性极化率的性质 (16) 1.3.1真实性条件 (17) 1.3.2本征对易对称性 (17) 1.3.3完全对易性对称性 (18) 1.3.4空间对称性 (20) 第二章 电磁波在非线性介质内的传播 (23) 2.1介质中的波动方程一般形式 (23) 2.2线性介质中单色平面波的波动方程 (23) 2.3稳态情况下的非线性耦合波方程 (24) 2.4瞬态情况下的非线性耦合波方程 (26) 2.5门雷－罗威（Manley-Rowe）关系 (27) 第三章 光学二次谐波的产生及光混频 (28) 3.1光倍频及光混频的稳态小信号解 (28) 3.2相位匹配技术 (29) 3.3有效非线性系数 (43) 3.4光倍频及光混频高转换效率时的稳态解 (46) 3.5高斯光束的倍频 (47) 3.6典型倍频激光器技术 (48) 第四章 光学参量振荡及放大 (52) 4.1引言 (52) 4.2光学参量振荡的增益 (52) 4.3光学参量振荡的阈值 (54) 4.4光学参量振荡输出频率的调谐 (56) 4.5典型光学参量振荡技术 (59) 第五章 二阶非线性光学材料 (62) 第六章 克尔效应与自聚焦 (65) 6.1引言 (65) 6.2克尔效应 (65) 6.3自聚焦 (70) 第七章 受激散射 (73) 7.1引言 (73) 7.2受激喇曼散射 (73) 7.3受激布里渊散射 (79) 第八章 光学相位共轭 (81) 8.1相位共轭的特性 (81) 8.2获得相位共轭波的非线性光学方法 (81) 8.3非线性光学相位共轭的应用 (82) 第九章光学双稳态 (83)
非线性光学材料 一、概述 20 世纪60 年代, Franken 等人用红宝石激光束通过石英晶体,首次观察到倍频效应,从而宣告了非线性光学的诞生，非线性光学材料也随之产生。 定义：可以产生非线性光学效应的介质 （一）、非线性光学效应 当激光这样的强光在介质传播时，出现光的相位、频率、强度、或是其他一些传播特性都发生变化，而且这些变化与入射光的强度相关。 物质在电磁场的作用下,原子的正、负电荷中心会发生迁移,即发生极化,产生一诱导偶极矩p 。在光强度不是很高时,分子的诱导偶极矩p 线性正比于光的电场强度E。然而,当光强足够大如激光时,会产生非经典光学的频率、相位、偏振和其它传输性质变化的新电磁场。分子诱导偶极矩p 就变成电场强度E 的非线性函数,如下表示: p = α E + β E2 + γ E3 + ?? 式中α为分子的微观线性极化率;β为一阶分子超极化率(二阶效应) ,γ为二阶分子超极化率(三阶效应) 。即基于电场强度E 的n 次幂所诱导的电极化效应就称之为n 阶非线性光学效应。 对宏观介质来说, p = x (1) E + x(2) E2 + x (3)E3 + ?? 其中x (1) 、x(2) 、x(3) ??类似于α、β、γ??,表示介质的一阶、二阶、三阶等n 阶非线性系数。因此,一种好的非线性光学材料应是易极化的、具有非对称的电荷分布的、具有大的π电子共轭体系的、非中心对称的分子构成的材料。另外,在工作波长可实现相位匹配,有较高的功率破环阈值,宽的透过能力,材料的光学完整性、均匀性、硬度及化学稳定性好,易于进行各种机械、光学加工也是必需的。易于生产、价格便宜等也是应当考虑的因素。 目前研究较多的是二阶和三阶非线性光学效应。 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ω外，还将出现2ω、3ω、……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ω1和ω2（ω1＞ω2）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ω1＋ω2的和频项和频率为ω1－ω2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
第30卷 第1期光 学 学 报 Vol.30,No.12010年1月 ACTA OP TICA SINICA J anuary ,2010 文章编号:025322239(2010)0120132205 环形腔光纤激光器中光谱边带不对称性特性研究 高玉欣 徐文成 罗智超 罗爱平 宋创兴 (华南师范大学光电子信息科技学院,光子信息技术广东省重点实验室,广东广州510006) 摘要 理论分析了环形腔锁模光纤激光器中光谱边带不对称性产生的物理机制,实验中搭建了环形腔被动锁模光纤激光器平台,通过调节偏振控制器,在L 波段获得了明显不对称的边带光谱。实验结果表明,光谱不对称性主要存在两方面的明显特点:1)强度不对称性,最明显时正二级的强度比负二级的强度高14.28dBm ;2)数量不对称性,最明显时正级数量要比负级数量多5个。通过对光谱边带不对称性物理机制的分析对如何消除边带效应以获得理想的孤子脉冲具有重要的指导意义。 关键词 激光器;边带不对称性;光纤激光器;被动锁模;环形腔 中图分类号 TN248 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 20103001.0132 Ch a r act e ris t ics of t he S i deba n d As y m met r y i n a Fi be r Ri n g L as e r Gao Yuxin Xu Wencheng L uo Zhichao L uo Aiping Song Chuangxing (L abor a tor y of Photonic Inf or m a tion Tech nology ,School of I nf or m a tion of Op toelect ronic Science a n d Engi neeri ng , Sout h Chi n a Nor m al U niversit y ,Gu a ngzhou ,Gua ngdong 510006,Chi n a ) Abs t r act Physical mechanism of the sideband asymmet ry is theoretically analyzed in the fiber ring lasers ,A passive mode 2locked erbium 2doped fiber ring laser is const ructed in the experiment ,The obvious asymmet ry of the spect ral sidebands in an L 2band is obtained by adjusting polarization cont rollers.The asymmet ry of sidebands can be observed in two aspects :on the one hand ,the asymmet ry of the power between the positive and the negative order numbers is obvious ,which can be observed that the intensity of the positive second order is higher 14.28dBm than that of the negative same order ;on the other hand ,the sideband asymmet ry numbers f rom the positive to the negative orders are also obvious ,the number of the positive orders is more 5numbers than that of the negative.The sideband asymmet ry is usef ul for the research of eliminating the sidebands and acquiring the ideal soliton p ulses and so on.Key w or ds lasers ;sideband asymmet ry ;fiber laser ;passively mode 2locking ;ring cavity 收稿日期:2009201219;收到修改稿日期:2009204210 基金项目:广东省自然科学基金(04010397)资助课题。 作者简介:高玉欣(1981—),女,硕士研究生,主要从事光纤激光器和高码率光通信等方面研究。E 2mail :liayuan322@https://www.doczj.com/doc/f44504685.html, 导师简介:徐文成(1965— ),男,教授,博士生导师,主要从事光纤激光器及其在高码率光通信系统中的应用等方面的研究。E 2mail :xuwch @https://www.doczj.com/doc/f44504685.html, (通信联系人) 1 引 言 自从1550nm 光通信窗口打开以来,光纤通信向着远距离、高容量的方向发展,该发展趋势对激光光谱的平滑程度以及脉冲前后沿的非重叠性无疑提出了更高的要求。而在超短脉冲掺铒光纤激光器实验中,产生的光谱总伴随着边带。光谱边带一方面使光谱的主脉冲能量减少,另一方面使激光器输出脉冲的频谱质量发生劣化,容易使信号之间产生串扰,从而直接影响激光器在长距离光纤通信系统的 应用。因此,如何获得无光谱边带的超短脉冲是近 年来非线性光纤光学研究领域中一个重要的研究课题[1～6]。 对光谱边带的研究国内并不多。国外从20世纪80年代开始就有人提出了光谱边带的问题,但是在整个80年代,对于边带的产生原因、不对称性机理、如何消除边带等仍处于探索研究阶段。1982年R.H.Stolen 等[7]对双折射光纤中光脉冲以不同的角度入射时对脉冲整形效应做了初步的研究,为以
《非线性光学原理及应用》课程教学大纲 课程代码：090642004 课程英文名称：Nonlinear Optics Principle and Application 课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0 适用专业：光学类各专业 大纲编写（修订）时间：2017.10 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 本课程是光信息科学与工程专业的一门选修专业课，通过本课程的学习，可以使学生掌握非线性光学的基本概念、基本理论和非线性光学效应以及这些效应产生的原因和过程规律，掌握光学测试技术的相关原理和方法，培养学生解决实际问题的能力。 通过本课程的学习，学生将达到以下要求： 1．掌握和理解非线性光学的基本概念和基本理论。 2．掌握和了解非线性光学效应以及这些效应产生的原因和过程规律。 3．了解非线性光学效应的应用。 4．具有抽象思维能力、逻辑推理能力、空间想象能力和自学能力。 5．有综合运用所学知识分析和解决问题的能力 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.基本知识：掌握非线性光学效应的一般知识，非线性光学效应产生的条件、物理机制等。 2.基本理论和方法：掌握和理解非线性光学的基本概念和基本理论。掌握和了解非线性光学效应以及这些效应产生的原因和过程规律。了解非线性光学效应的应用。。 3.基本技能:掌握产生和控制非线性光学效应的技能；具有抽象思维能力、逻辑推理能力、空间想象能力和自学能力；有综合运用所学知识分析和解决问题的能力等。 （三）实施说明 1．教学方法：：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高理解物理概念、物理机制的能力。讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。 2．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。 （四）对先修课的要求 本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。本课程主要的先修课程《物理光学》。 （五）对习题课、实践环节的要求 各章内容学习结束后，根据教材内容选择习题，布置习题作业，根据习题的完成质量，随堂讲解各章重点习题，期末总复习全面讲解。 （六）课程考核方式 1．考核方式：考查 2．考核目标：考核学生对非线性光学的物理概念、基本理论的掌握和理解。 3．成绩构成：本课程的总成绩主要由两部分组成：平时成绩（包括作业情况、出勤情况等）占20%，期末考试成绩占80%。 （七）参考书目
2014 年春季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目：非线性光纤光学 学生所在院（系）：理学院物理系 学生所在学科：光学 姓名： 学号： 学生类别：统招 题目：用于声发射探测的塑料光纤传感器的研究
用于声发射探测的塑料光纤传感器的研究 1、声发射的研究背景及概念 应变材料由于受外力的作用，产生的形变或者断裂逐渐扩大，最终超过屈服 ，此时声发射现象就出现了，又由于弹性波的瞬间形式可以被声波态加以极限 s 释放，因此，声发射现象也被称为应力波发射[1]。随着对声发射研究的进一步深入，那些与变形、断裂机制并没有直接关系的弹性波源被称作二次声发射源，所以声发射领域的研究范围得到了很大的扩展[2-3]。声发射检测技术是这样定义的：用各种仪器来探测、分析并记录声发射的信号，并由此来推测声发射来源的技术的总称[1，2]。它也属于无损检测的一种方法，具有很多的优点，已广泛地应用在许多领域，如航天和航空工业、交通运输业、金属加工、电力工业、民用工程、石油化工工业以及材料试验等部门[4]。 近些年随着研究的进一步深入，现在的声发射传感器热衷于使用光纤来探测。光纤传感器是近些年迅速发展的一项新技术，它是以光为信息载体、以光纤为传播媒介的新型传感器。光纤声发射传感器存在着抗电磁干扰、体积小、频带宽等许多优点，已在许多物理测量中得到了应用。目前，在通信光缆中使用的大部分都是石英光纤。但是，近年来逐步开发出的塑料光纤(POF)，以其拉制工艺简单、质轻柔软、更耐破坏、成本低廉和连接损耗低等优点备受关注。 2、声发射检测技术 如前所述声发射技术是用各种仪器来探测、分析和记录声发射的信号，并由此来推测声发射来源的技术的总称[5]。它的应用原理如图1所示。 图 1 声发射检测技术的应用原理 我们知道弹性波是由声发射源而发出的，到达被检测物体引起机械震动。然后用于声发射检测的传感器就将待测物体表面的瞬时位移变换成电的信号。然后经过放大器后，应用相关软件对其进行处理，并显示其波形与参数。最后，分析与解释得到的数据，进而推出声发射来源的属性[6]。 一个大小、性质相同的缺陷，当它在材料中的位置或所受应力不同时，对材料损伤的程度也就会不同，所以它具有不同声发射的特性。当我们确定了来自特定缺陷而产生的声发射的信号时，我们就能够长期地、不间断地监视此缺陷安全的性能，这是其他的方法很难完成的[7]。
光纤中超连续谱产生的研究进展与展望 发表时间：2017-11-06T18:40:08.223Z 来源：《电力设备》2017年第16期作者：张洁胡红艳马瑞雪马尧李辰[导读] 摘要：人们对超连续谱的研究经历了单模光纤到锥形光纤一直到现在的光子晶体光纤这样一个逐步发展的过程，对于光纤中的超连续谱的研究仍然在继续，本文是一个关于光纤中超连续在近年来研究工作进展的综述。 （国网新疆电力公司信息通信公司新疆乌鲁木齐 830000） 摘要：人们对超连续谱的研究经历了单模光纤到锥形光纤一直到现在的光子晶体光纤这样一个逐步发展的过程，对于光纤中的超连续谱的研究仍然在继续，本文是一个关于光纤中超连续在近年来研究工作进展的综述。 1、介绍 超连续谱是在单色高强度超短脉冲通过光学非线性介质时产生的。它具有连续光谱,而每个波长分量保持着超短脉冲性质。是指强短脉冲通过非线性介质时,由于自相位调制,交叉相位调制,受激拉曼散射和四波混频等非线性效应与光纤的群速度色散的共同作用而使脉冲频谱展宽的一种现象[1]。产生SC谱的介质要求具有高的非线性系数和适当的色散条件，可用于产生SC谱的非线性介质很多诸如卷色散位移光纤(DSF)、色散渐减光纤(DDF)、色散平坦光纤(DFF)、色散平坦渐减光纤(DFDF)、高非线性光纤(HNLF)、非线性光纤(NLF)、光子晶体光纤(PCF)、锥形光纤(Taper fiber)等等[2]。 2、国内外研究现状 2.1国外研究进展 国外对于超连续谱在光纤中的产生做了许多的理论研究，获得了许多非凡的成果，这些成果促进了超连续谱的研究得到快速的发展。其中，由美国的洛切斯特大学的G. P. Agrawal教授编写的《非线性光纤光学原理及应用》已经成为非线性光学领域的著作，为后人的研究打下了坚实的理论基础 光子晶体技术的研发标志了光纤通信领域向前迈进了一大步。通过调整光子晶体光纤内部缺陷的直径和相互距离就可以随意的调控光纤的色散和非线性特性。通过使用光子晶体光纤，便可以产出频谱更宽，平坦度更好的超连续谱。 通过整理最近几年的文献发现,近年来，国外对用于产生超连续谱的非线性光纤介质和超连续谱功率方面的研究较多。2015年Than Singh Saini等人对中红外超连续谱进行了分析、设计和数值模拟。使用新设计的三角型梯度折射率的光子晶体光纤（PCF）和峰值功率为3.5千瓦周期为50 fs激光脉冲，产生了宽带谱的超连续谱，并首次被报道[3]。Minkovich等人制作了两种特殊的非线性空气氧化硅微结构光纤来产生超连续谱（SC）。一个纤维在包层中有一个不规则的孔结构，另一个有规则的结构。在这两种纤维中，通过飞秒脉冲泵浦光纤产生SC。通过模式色散分析确定了SC的光谱特征和最佳泵浦条件。研究发现，在泵浦范围宽的光纤中可以产生不规则包层光纤中的SC。 2.2国内研究进展 近年来国内对于光纤中超连续谱产生的研究层出不重得到了快速发展。通过查阅近几年的文献发现，一些研究部门以及高校开始把注意力集中在非线性介质，超连续谱展宽上，在理论分析和实验这两个方面获得了不小的收获。发现国内比较突出的研究主要是关于 2.2.1用各种非线性介质产生超连续谱的研究： 朱磊等在《光学学报》上提出了采用高掺锗石英光纤产生中红外超连续谱，采用波长为2μm、脉冲宽度为50 ns的激光器作为光源,纤芯掺锗浓度为75%的石英光纤为非线性介质,进行了中红外超连续谱产生的研究。最终获得了较平坦的超连续谱输出,而且其长波限接近目前报道的基于同类光纤的超连续谱的最大长波限。徐永钊等人基于非线性薛定谔方程,数值研究了色散平坦渐减光纤中非线性啁啾脉冲的传输及超连续谱的产生。研究结果表明,初始啁啾对脉冲传输及超连续谱产生的影响与泵浦条件和光纤参量的选取有很大关系。 2.2.2不同的泵浦条件和不同的入射激光脉冲条件对于超连续谱影响的研究等等： 韦远飞等人研究了飞秒脉冲经过光子晶体光纤时超连续谱产生的物理机制。对进行了归一化处理后的不同泵浦功率和不同泵浦波长条件下的超连续谱进行对比,分析影响光子晶体光纤超连续谱差异的物理机制。李小魁等通过非线性薛定谔方程模拟了不同激光脉冲形状在光子晶体光纤中传输时对超连续谱产生特性的影响. 2.2.3对于光纤中超连续谱功率的研究； 对于超连续谱功率这一块，国防科技大学的研究较为突出，其中侯静等，分析了高功率超连续谱光源的关键技术，利用脉冲光纤激光器抽运国产光子晶体光纤取得平均功率为１０１Ｗ的超连续谱输出；采用大模面积双包层光纤放大器直接输出超连续谱方案，得到１７７Ｗ近红外超连续谱输出；利用２μｍ脉冲光抽运ＺＢＬＡＮ光纤，获得１０Ｗ中红外超连续谱输出。赵磊等人，在《中国激光》中提出了一种全光纤结构的超连续谱光源，得到脉冲宽度为12ps、中心波长为1064nm的高功率超连续谱。 从以上可以看出，国内对于超连续谱研究这一块，以国防科大为代表，近年来取得了不错的研究成果。 3、总结与展望 超连续谱在近几年来发展迅速，通过概括近几年的国内外文章，发现它有以下几个发展趋势：对于用于产生超连续谱的光学介质的研究；对于泵浦和入射激光条件对于超连续谱的影响的研究，对于超连续谱的谱宽，功率和应用的研究等等，这些方面仍值得国内外的学者们在接下来的研究中进行探索。 参考文献 [1]朱磊等、基于高掺锗石英光纤的中红外超连续谱产生、《光学学报》2016. [2]苏国瑞等、基于增益开关激光器和HNLF的超连续谱产生实验研究、《光电子激光》2015. [3]徐永钊等、色散平坦渐减光纤中非线性啁啾脉冲的传输及超连续谱的产生、《发光学报》2016.
计算化学在非线性光学材料中的应用 摘要非线性光学是随着激光技术的出现而发展形成的一门学科分支，是近代科学前沿 最为活跃的学科领域之一，而计算化学在非线性光学材料中发挥着重要作用。非线性光学在基本原理、新型材料的研究、新效应的发现与应用方面都得到了巨大的发展，成为光学学科中最活跃和最重要的分支学科之一。 关键词非线性光学极化率,密度泛函理论计算,扩散函数，尿素晶体;电子结构;倍频系数;从头计算，一阶超极化率； 1 非线性光学材料的研究发展现状 作为一种较好的非线性光学材料，必须满足：(1)有适当大小的非线性系；(2)在工作波长应有很高的透明度(一般吸收系数α<0.01)；(3)在工作波长可以实现相位匹配；(4)有较高的光损伤阀值；(5)能制成具有足够尺寸、光学均匀性好的晶体；(6)物化性能稳定，易于进行各种机械、光学加工。[1] 2 计算化学在非线性光学材料中的应用举例 2.1 非线性光学极化率密度泛函理论计算的基组效应 由于分子的非线性光学性质与分子外层电子行为及激发性质密切相关,扩散函数对分子的非线性光学极化率计算非常重要.几何结构优化中,GGA(the generalized gradient approximation)部分都采用Beck-Perdew校正.在全部二阶非线性光学极化率的计算中,GGA部分都采用能较好描述非线性现象的定域校正SOAP(statistical average of different orbital model potentials).CO和HF的结构参数(rCO=0.1612 nm,rHF=0.0917 nm）。.对CH 3CN,PNA两个分子采用DZP基组进行结构优化(其中在C 3v 对称下优化CH3CN分 子结构,在C 2v 对称下优化PNA分子结构).然后分别在ET-QZ3P-1DIFFUSE基组、DZP基组、TZP基组、自创的DZP+df基组水平上计算CO,HF,CH3CN,PNA的含频二阶非线性光学极化率.在使用DZP,TZP,DZP+df基组时,C,O,N,原子内核轨道封闭到1s.对于含有重金属原子Ru的二价离子5,由于相对论效应不可忽视,所以碎片的产生、结构优化和含频二阶非线性光学极化率计算都考虑了相对论效应,采用标度的ZORA近似(the zero-order regular approximation).对5在Cs对称群下进行结构优化和含频非线性光学极化率的计算.在结构优化中,C,N,O,H采用DZP基组,Ru原子采用TZP基组.在含频二阶非线性光学极化率计算中,C,N,O,H分别采用DZP基组、TZP基组、DZP+df基组,而Ru原子采用TZP基组.C,N,O 原子内核封闭至1s内核轨道,Ru原子封闭到3d轨道.全部计算采用使用ADF2002程序包在集群并行计算机上完成.[2] 2.2 尿素晶体线性和非线性光学系数的计算 使用从头计算平面波赝势法计算了尿素晶体的电子能带结构、线性和非线性光学系数,折射率和倍频系数的计算结果与实验结果基本符合。晶体的线性光学性质(折射率、吸收
光纤的非线性效应对通信系统传输特性的影响 摘要： 随着光纤通信系统向超高速、超大容量、超长距离的持续发展，以及光孤子通信系统的实用化，光纤非线性光学的重要性日益突出。光通信技术的发展史很大程度上就是光纤非线性理论与技术的发展史，自2000年起非线性光纤光学领域更是得到了新的发展。 本文详细讨论了光纤的几种重要的非线性效应，如自相位调制、交叉相位调制、受激喇曼散射、受激布里渊散射、四波混频等，同时分析了这些非线性效应对光纤通信系统传输特性的影响并提出了如何减少其对光纤通信系统传输的影响。 关键字： 光纤非线性效应散射通信系统传输相位调制群速度色散 正文： 在20世纪80年代，系统在设计时通常不考虑非线性效应，因为比特率和链路长度主要受限于光纤损耗和群速度色散（GVD）。但自20世纪90年代以来，随着光放大器、色散管理和波分复用（WDM）的出现，情况发生了明显的改变，显然，光纤中的非线性效应很大程度的限制了光纤通信系统的性能。技术的进步使光纤链路长度超过1000km，单信道比特率超过10Gbps。结果，光纤中的非线性效应成为光波系统优化时最重要的考虑因素。首先，我们先简要介绍一些光纤通信系统的基本知识。 一、系统基础知识 依据对光源调制的信号是模拟信号还是数字信号，光纤通信系统分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统两类。其中数字光纤通信系统应用更广泛，模拟光纤通信技术目前主要应用于光纤有线电视网。
所有数字光波系统都是以一连串的‘“1”和“0”组成的比特流方式传输信息的。比特率B 决定每比特的宽度或比特槽，记为1/B T B 。每个比特“1”通过在比特槽中出现一个光脉冲来表示。当使用归零码（RZ ）格式时，光脉冲占据整个比特槽。本文旨在分析一个光比特流在光纤链路传输过程中如何受各种非线性效应的影响。 下面我们通过分别介绍各种非线性效应来分析他们对通信系统传输特性的影响。 二、非线性效应及其对通信系统传输特性的影响 在高强度磁场中任何电介质对光的效应都会变成非线性，光纤也是一样。尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。 光纤的非线性可以分为两类：受激散射效应和折射率扰动。下面我们就来详细了解这两种非线性效应。 （一）受激散射效应 受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象称为受激散射效应。受激散射效应有两种形式：受激布里渊散射和受激喇曼散射。这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子（斯托克斯光），同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个能量子。两种散射的主要区别在于受激喇曼散射的剩余能量转变为光频声子，而受激布里渊散射转变为声频声子；光纤中的受激布里渊散射只发生在后向，受激喇曼散射主要发生在前向。受激布里渊散射和受激喇曼散射都使得入射光能量降低，在光纤中形成一种损耗机制。在较低光功率下，这些散射可以忽略。当入射光功率超过一定阈值后，受激散射效应随入射光功率成指数增加。这就定义了一个参量，叫做阈值功率。 阈值功率：在长度为L 的光纤输出端因非弹性散射而损耗了50%的输入功率，这个输
非线性光学综述 摘要 文章简要回顾了非线性光学的诞生以及早期的发展，包括二次谐波，激光和频和差频现象，以及受激拉曼散射等，介绍了非线性光学的一些重要研究成果，最后对非线性光学当前和未来研究热点作了总结和展望。 关键词 非线性光学 The summary of nonlinear optics Abstract This article presents a brief introduction to the birth and early investigations of nonlinear optics, such as second harmonic generation, sum and difference frequency generation, and stimulated Raman scattering etc. Several important research achievements and applications of nonlinear optics are presented. In the end, current and future research optics in nonlinear optics are summarized. Keywords nonlinear optics 1 非线性光学的诞生 激光的发明，引导出很多新的学科对我们今天的科学技术以及日常生活都产生了重大影响，其中最重要的学科之一就是非线性光学，它对半个世纪以来科技的发展起了十分重要的作用。激光的光场或电场可以很强。激光与物质的非线性相互作用，可以从极化偶极矩的表达式 (2)(3)()::p E E E E E E E ααα=+++ ，中看出。早年，微波和射频方面的研究已经证明，当电场很大的时候，会产生非线性现象。这是因为电场与物质相互作用时，如果电场很小，表达式中的非线性项可以忽略，产生的偶极子实际上与电场成正比（即线性效应），而当电场很大时，非线性项不能再被忽略，因而可以产生二次倍频，混频等现象，这在微波和射频的实验中得到证实[1]。 2几种典型非线性光学效应及其应用 2.1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. 以上各种非线性光学变频效应是目前比较成熟的相干光变频手段.当入射激光满足相位匹配条件(即动量守恒条件)且其中一种为可调谐时,可通过这些效应获得高频率可调谐变频相干光输出.另一方面,相干光混频效应也为人们提供了一条研究物态结构、分子跃迁和凝聚态物理过程的新途径.当前,带有二倍频器、三倍频器和四倍频器的固体激光器和光参量振荡器作为独立元件已很容易获得,并在许多系统(如光刻照相和材料处理)中得到运用. 图1 红宝石激光器通过石英晶体和棱镜分光，发现二阶非线性光学现象
光纤光学（往年考题仅供参考） 填空： 三个载波波长 0.85um多模光纤LED光源 1.31um单多并存LD 1.55um单模掺铒激光器 单，多模光纤区别 单模光纤传输一种模式，纤芯直径小，芯皮折射率差小； 多模光纤传输多种模式，纤芯直径大，芯皮折射率差大 单根光纤结构 纤芯、包层、保护层 完美条件下光纤材料损耗下限由哪两部分组成 瑞利散射和本征吸收 波长色散由什么叠加，与什么成正比 是波导色散和材料色散的叠加，与光源谱宽成正比 光纤与光源耦合的两者匹配参量 光纤：芯径，数值孔径，截止波长，偏振特性 光源：发光面积，光束发散角，光谱特性，输出功率，偏振特性 光纤固定连接技术三环节 1.端面的制备； 2.光纤的对准调节； 3.光纤接头固定 光纤隔离器与相位调制器运用的效应 光纤隔离器：法拉第效应； 相位调制器：kerr效应 掺杂光纤激光器掺杂元素对应波长 Nd：0.9um，1.06um，1.35um Er：1.55um 其中0.9um和1.55um为三能级系统，1.06um和1.35um为四能级系统 多模光纤连接损耗 轴偏离（横向） 两光纤端面之间的间隙（纵向） 两光纤轴之间的倾斜（角向偏移） 光纤端面不完整性（弯曲和倾斜）
光纤种类不同（芯径和折射率不同） 光纤光栅概念 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，器作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜 名词解释： 基模模场半径 基模场振幅衰减到最大值1/e 处场分布半宽度 光孤子 满足光纤非线性薛定谔方程的一种孤立波解，这种解表示光脉冲在光纤中传输时的形状、幅度和速度都不变 光纤的损耗 光纤损耗大致分为具有的固有损耗和光纤制造后由使用条件造成的附加损耗。 具体来说，固有损耗指因光纤制造和光纤材料引起的光纤传输损耗；附加损耗包括光纤使用过程中的弯曲，以及构成光纤系统时因光纤耦合而产生的损耗。 问答： 半导体激光器与单模光纤直接耦合效率低的原因？如何提高 LD 发出的光在空间是窄长条，长约几十微米，宽约零点几微米，其远场图是一个细长的椭圆。 对此，对于多模光纤其芯径大，能接收，但其角分布只有十几度，而LD 光的发散角在x 方向约5~6o ，在y 方向约40~60o ，光纤接收不进去，即为困难所在。 提高耦合效率途径：通过间接的透镜耦合 从产生一阶光孤子所需阈值功率2220||/()th P k T β=出发，说明在光孤子通信系统中使用色散位移光纤的原因 为产生一阶光孤子，阈值功率th P 越低越好，由2220||/()th P k T β=可以看出，可以 加大2k （非线性效应）和0T （输入脉宽）以及减小2 β（色散），但输入脉宽太大不好， 故可以使用色散位移光纤，其色散非常小，非线性效应也不太严重。 光纤激光器与放大器的分类及特点 分类：（1）晶体光纤激光器和放大器，如：红宝石单晶，Nd ：YAG 单晶 （2）利用非线性效应制作的光纤激光器和放大器，如SRS,SBS （3）掺杂光纤激光器和放大器
Mo2Zr的第一性原理研究综述 一、题目研究的背景及意义 钼由于具有熔点高、强度大、硬度高、导电导热性好、热膨胀系数低，耐磨损和抗腐蚀性能强及良好的抗热震性能和耐热疲劳性能等特点，因而被广泛应用于钢铁工业、电子工业、航空航天、原子核能及金属压力加工等领域[1-3]。然而，由于氧、氮等杂质原子在晶界的富集及其本征脆性，钼及钼合金烧结后脆性非常明显[4-5]。。而Zr具有高的熔点，高温下能与钼产生固溶而低温下溶解度很小，能对钼起到显著的固溶强化及弥散强化效果，且Zr 在加热时能大量吸收氧、氢、氮等元素，可能是改善烧结钼合金室温脆性的有效途径。所以研究Mo-Zr 合金有着重要的实践意义，Mo-Zr的制备采用粉末冶金方法。Mo-Zr合金主要应用于工业领域，例如燃气轮机的叶片，加热熔融玻璃时的电极，黄铜及有色金属铸造的模具，涡轮喷气飞机、火箭及核反应堆的某些组件和暴露于腐蚀化学物质的部分。本文基于密度泛函理论对Mo2Zr的晶体结构作了优化，分别计算了Mo2Zr、Mo、bcc-Zr的晶格常数及力学性质，我们将本文计算值与他人及实验结果作了对比，发现我们计算的结果与他人及实验值吻合的比较好。 二、基本理论方法 第一性原理计算方法，或称Hartree-Fock方法，是First Principles Calculation 的译文，又称从头计算（ab initio calculation）。第一性原理计算方法的出发点就是将多个原子构成的体系理解为由电子和原子核组成的多粒子系统，然后求解这个多粒子系统的薛定谔方程组，获得描述体系状态的波函数Φ 以及对应的本征能量。从理论上讲，通过这两项结果就可以推导系统的所有性质。为了求解多粒子系统的薛定谔方程，在第一性原理计算中采用了三个基本近似，即非相对论近似、Born-Oppenheimer 近似（也称为绝热近似）和Hartree-Fock 近似（单电子近似）。常用的第一性原理计算方法主要使用的是线性缀加平面波方法（LAPW）和赝势平面波方法。本课题所使用的是V ASP及PWSCF软件包所采用的赝势平面波方法。赝势平面波方法基组用平面波展开，晶体势场用赝势代替。平面波基是一种最简单的正交、完备的函数集合，它有以下优势：（1）具有良好的解析形式，是正交归一的，无需考虑重叠积分。（2）可以尽可能多的使用平面波作为基底。（3）平面波是非局域的，它不依赖于原子的位置。 密度泛函理论是多粒子系统基态研究的重要方法，它不但给出了将多电子问题简化为单电子问题的理论基础，也成为分子和固体的电子结构和总能量计算的有力工具。在第一性原理计算中，要求解系统中原子间的相互作用能，就要求解如下的薛定谔方程： 第一性原理计算的核心是采用合理的近似和简化，利用量子力学求解多体问题。组成固体的多粒子系统的薛定谔方程：
2014年春季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:非线性光纤光学 学生所在院（系）:理学院物理系 学生所在学科:光学 学生姓名X x x 学号:13S x x x 学生类别:学术型 考核结果阅卷人 第 1 页（共页）
光子晶体光纤简介 摘要：光子晶体光纤是近年来出现的一种新型光纤，其特点是包层排列有规则或随机分布的波长量级的空气孔。包层中的微结构使得光子晶体光纤能够呈现出许多传统光纤不具备的特性，，在光纤通信、色散补偿以及非线性光学等领域有着广泛的应用. 一历史背景 光子晶体光纤的概念最早在1992年由St.J.Russell等人提出[1]，其初衷是要在光纤中引入光子带隙效应实现对光的导引。受到制备工艺的限制，直到1996年首根光子晶体光纤才成功问世，光纤横截面如图1-1(a)所示。该光纤具有独特的无尽单模传输特性，在学术界和产业界引起极大的轰动。然而研究发现，该光纤虽然具有周期性的包层结构，但遵循的是传统光纤的全反射型导光机制(Total Internal Reflection，TIR)，并未利用光子带隙效应。进一步分析表明，这一类光纤的传输特性并不依赖于包层气孔的周期排布。在特定条件下，无序排布的气孔结构也可以实现无尽单模传输。人们将这一类光纤称为全内反射型光子晶体光纤(TIR-PCF)或折射率导引型光子晶体光纤。TIR-PCF的成功研制为光子晶体光纤的定义增添了新内容，并开启了光子晶体光纤技术研究的序幕。 图1-1
1998年，J.C.Knight等人研制出依靠光子带隙效应导光的首根真正意义上的“光子晶体”光纤，如图1-1(b)所示。区别于TIR-PCF，人们将这一类光纤称为光子带隙型光纤(PBG-PCF)。 1999年，R.F.Cregan等人成功研制出大空气芯导光的PBG-PCF。以空气作为传光介质意味着超低的传输损耗、超低非线性以及超低色散传输，这在传统光纤中是难以实现的。PBG-PCF的问世宣告光子晶体光纤全面登上历史舞台。自此，光子晶体光纤进入高速发展阶段，并迅速占领众多科技领域的研究最前沿[2]。 目前，光子晶体光纤的应用研究己经逐渐覆盖到通信、传感、非线性光学、光谱学，乃至生物医学等众多科技领。随着研究的进一步深入，各种新型光子晶体光纤仍在不断涌现，基于光子晶体光纤的新应用同样日渐丰富。 二光子晶体 2.1基本概念 光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.John和E.Yablonovitch 分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。图2.1-1分别为一维到三维的光子晶体。 图2.1-1
非线性光学部分 介质在强激光场作用下产生的极化强度与入射辐射场强之间不再是线性关系，而是与场强的二次、三次以至于更高次项有关，这种关系称为非线性。凡是与非线性有关的光学现象称为非线性光学现象，属于非线性光学的研究内容。非线性光学一方面研究光辐射在非线性介质中传播时由于和介质的非线性相互作用自身所受的影响，另一方面则研究介质本身在光场作用下所表现出的特性。 在光通信中，主要是进入高速通信，10g，尤其是40G，随着入纤光功率的增强，非线性效应逐渐显现，系统设计必须加以考虑这方面的影响，于是在40G里面变出现了形形色色的编码。。。。。。。。。。。。以下切入正题 1、《Nonlinear Fiber Optics》和《Applications of Nonlinear Fiber Optics》 Agrawl ，这2本书从书名大家应该也可以看出是偏重于光纤通信应用的，目前第一个已经到第四版，第二个为第二版了，包括中译本，论坛都有，大家可以搜索下就可以都看到了。。。 ... =nonlinear%2Boptics ... =nonlinear%2Boptics 2、Boyd 的《nonlinear optics》3rd W. Boyd教授在2002年被任命为Rochester大学 M. Parker Givens Professor of Optics，lz发的应该是第二版，该书1992年第一版，第二版在第一版的基础上增加了很多新内容，并对以前的内容做了不少修订，在2008年的4月，该书又出了第三版。整体来说，该书内容比较深，学校里的高年级研究生和一般研究人员可参考。 今年5月份曾代表美国光学学会来南京开会 下载链接： ... =nonlinear%2Boptics 3、华裔学者沈元镶的《非线性光学原理》 沈是这方面非常牛b的，他的导师算是非线性光学方面的开创者吧，并因此获得了诺贝尔奖。。 工作单位：美国伯克利加州大学 简介：美国物理学家。1956年毕业于台湾大学。1959年、1963年分别获美国史坦福大学、哈佛大学硕士、博士学位。美国科学院院士（1995）、美国艺术与科学院院士。现任美国伯克利加州大学物理系教授。沈元壤教授在非线性光学方面，对等离子体的光学非线性、感应散射理论、非线性光学的量子统计理论等做了开创性的工作，开辟了液晶非线性光学研究领域，用线性和非线性光学方法研究了基板上液晶分子的排列、表面诱导整体排列、表面诱导整体旋转、表面记忆效应、表面诱导有序（湿润）－无序（去湿润）现象。在激光光谱和分子物理方面，与李远哲合作，对多原子分子的红外多光子解离得到透彻的了解，此过程曾困惑物理学家和化学家很多年；与小组合作，观察和分析了囚禁离子有序－无序跃迁，这是原子物理近期的热点。在固体物理方面，发展了调制光谱方法，使测定固体能带更为精确。发明了一种有力的方法（倍频与和频），用于研究表面和界面，开辟了表面科学的很多新研究领域。沈元壤教授曾多次访问中国，接受我国访问学者在他的实验室工作，和我国科学家有广泛交往；并且是我国高校发展计划国际咨询委员会顾问，中美物理学会联合委员会成员，北京大学、复旦大学、中山大学及中国科学院物理所、上海光机所名誉教授，国家自然科学基金委员会顾问委员。 1996年6月7日当选为中国科学院外籍院士 ... F%D0%D4%B9%E2%D1%A7 4、Elsa Garmire 《Nonlinear Optics in Semiconductors 》