第三章 二阶非线性光学效应1

非线性光学现象的基本描述导语：光学是一门研究光传播和光与物质相互作用的学科。

我们常常接触到的光学现象多数是线性光学，即光的传播和物质对光的响应遵循线性关系。

然而，当光强足够强大，或与物质相互作用时，我们就会观察到非线性光学现象。

本文将对非线性光学现象的基本描述进行探讨。

1. 非线性光学现象的起因光与物质相互作用时，通常可以用极化来描述物质对光的响应。

在线性光学中，物质的极化与光的电场强度存在线性关系。

然而，当光强足够强大时，光子与物质的相互作用变得显著，极化则不再遵循线性关系，从而引发非线性光学现象。

2. 折射率和非线性光学在介质中，光的传播速度受折射率的影响。

在非线性光学中，高光强下，光与物质的相互作用会引起折射率的变化。

这种折射率变化可导致光的自聚焦、自散焦等非线性光学现象的产生。

自聚焦是指在具有正非线性折射率的介质中，光束在传播过程中由于自身的非线性效应而逐渐凝聚，使光束变得更加集中。

而自散焦则是光束由于介质中的负非线性效应而扩散。

3. 光学非线性介质非线性光学现象广泛存在于各种介质中。

其中，某些晶体（如二硫化碳和锂酸铷）和气体（如氮气和二氧化碳）具有较强的非线性效应。

此外，光纤、液晶等也可作为非线性光学介质。

这些介质在非线性光学应用中具有重要意义。

4. 光学非线性效应的应用非线性光学现象不仅仅是一种有趣的现象，还具有广泛的应用价值。

例如，光学非线性效应可用于光通信、光储存、光计算等领域。

在光通信中，非线性光学现象可实现光脉冲的成型、调制和解调，提高通信速度和带宽。

而在光计算中，非线性光学器件可以进行光学逻辑运算和信息处理，实现光计算的高速性能。

5. 非线性光学研究的挑战尽管非线性光学现象具有丰富和多样的特性，但其研究仍然面临一些挑战。

首先，需要精确控制光强，以实现特定的非线性效应。

其次，对于复杂的非线性系统，需要建立准确的模型和理论。

此外，非线性光学的实验装置和测试方法需要不断改进和创新。

非线性光学知识点总结1. 非线性光学基础知识1.1 非线性极化在非线性光学中，光在介质中的传播会引起介质极化现象。

通常情况下，介质的极化与光场的电场强度成正比。

在非线性光学中，介质的极化与光场的电场强度不再呈线性关系，而是存在非线性极化效应。

非线性极化效应包括二阶非线性极化、三阶非线性极化等。

1.2 介质的非线性光学特性介质的非线性光学特性通常由介质的非线性极化特性决定。

不同类型的介质具有不同的非线性极化特性，如各向同性介质、各向异性介质、非晶介质等。

介质的非线性光学特性对于光的强度、频率、极化方向等都有影响。

2. 非线性光学效应2.1 二次谐波产生二次谐波产生是一种光学非线性效应，它是指当一个介质中的光场具有足够强的非线性极化能力时，光会发生频率加倍的现象。

这种效应通常用于频率加倍和广谱显示等光学应用。

2.2 自聚焦效应自聚焦效应是一种非线性光学效应，它是指在介质中传播的光束因介质本身的非线性光学特性而产生自聚焦的现象。

自聚焦效应可用于激光聚焦、钻孔加工等应用。

2.3 自相位调制效应自相位调制效应是一种光学非线性效应，它是指光在介质中传播时，介质的非线性光学特性引起了光场相位的调制现象。

自相位调制效应对于光信息处理、光通信等领域具有重要意义。

3. 非线性光学器件3.1 光学双折射晶体光学双折射晶体是一种常用的非线性光学器件，它具有很强的非线性极化特性，可用于二次谐波发生、自聚焦等应用。

3.2 光学相位共轭镜光学相位共轭镜是一种利用光学非线性效应实现的器件，它可以实现光的自相位调制、波前修正等功能，可应用于激光稳频、激光通信系统等领域。

3.3 光学非线性晶体光学非线性晶体是一种常用的非线性光学器件，它具有很强的非线性极化特性，可用于二次谐波发生、频率加倍、光学调制等应用。

4. 非线性光学应用4.1 激光频率加倍激光频率加倍是一种常用的非线性光学应用，它可以实现激光的频率加倍，从而获得更高的激光频率。

非线性光学效应实验一实验简介激光的出现导致光频波段非线性效应的发现。

非线性光学突破了传统光学中光波电场线性叠加和独立传播的局限性，揭示出介质中光波场之间的能量交换、相位关联、相互耦合、此消彼长的变化过程。

非线性效应包括激光倍频、和频、差频、光参量放大与振荡、受激散射和光学相位共轭等。

从某种意义上讲，非线性光学属于强光与物质相互作用范畴。

非线性光学深化了人们对光与物质相互作用机理的认识，丰富了激光技术的内涵，为激光单元技术研究充实了新的内容和方法，特别是在激光的频率调谐、波长变换、光束质量的提高与改善等方面，非线性光学的有关原理和方法得到了充分应用，得到了长足的进步。

本实验是学习和研究晶体非线性效应的典型实验。

实验中采用脉冲的1064nm 激光作为泵浦光，用KTP 晶体腔外倍频产生绿光之后，再加入LBO 和BBO 分别获得355nm 的和频光以及266nm 的四倍频激光输出，通过实验让学生掌握激光器的简单调试，并理解激光倍频、和频、四倍频等非线性效应。

二实验目的了解非线性效应的基本原理、非线性系数和转换效率的概念，掌握激光倍频的原理与意义，掌握腔外倍频实验的搭建与简单调试，观察倍频现象、和频现象和四倍频现象，测量并计算倍频效率。

三实验器材脉冲激光器，晶体底座，透镜和棱镜底座，聚焦透镜f1、f2，晶体KTP ，晶体LBO ，晶体BBO ，分光棱镜，观察屏，红外探片，导轨，调整架，挡光板。

四实验原理1.非线性光学基础光与物质相互作用的全过程，可分为光作用于物质引起物质极化形成极化场，以及极化场作为新的辐射源向外辐射光波的两个分过程。

原子是由原子核和核外电子构成，当频率为ω的光入射到介质后，引起介质中原子的极化，即负电中心相对正电中心发生位移r 形成电偶极矩m er=（1-1）其中e 是负电中心的电量，我们定义单位体积内原子偶极矩的总和为极化强度矢量P ，P Nm=（1-2）N 是单位体积内的原子数。

极化强度矢量和入射场的关系式为：(1)(2)2(3)3P E E E χχχ=+++ （1-3）其中(1)(2)(3),,χχχ分别称为线性极化率，二阶非线性极化率，三阶非线性极化率……。