第15讲 光场与物质相互作用的经典理论

2.3光与物质相互作用的全量子理论在本节，我们将以量子化辐射场与两能级原子的相互作用为例来阐述光与物质相互作用的全量子理论。

2.3.1原子系统与光波场的总哈密顿在半经典理论中，单电子原子与辐射场的相互作用哈密顿为：E r e H H HF A ⋅-+=(2.47)其中A H 和F H 分别代表无相互作用时的原子和辐射场的能量，r 代表电子的位置矢量，E 代表辐射场的振幅。

当辐射场也被量子化后，我们有：ii ii ii A E i E H σ∑∑==(2.48a)∑+=+kk k k F a a H )2/1(ν(2.48b) ∑∑==ji ij ij ji j j i e r e ,,σμ(2.48c) ∑++=kk k k k a a E E )(ε(2.48d)其中+k a 和k a 分别代表光子的产生和湮灭算符，j i ij =σ代表原子跃迁算符，j e ij =μ代表电偶极矩阵元，2/10)2/(V E k k εν =。

于是，我们得到全量子理论中的哈密顿：∑∑∑∑+++++=ji kk k ij ij k iii i kk k k a a g E a a H ,)(σσν(2.49)其中 /)(k k ij ij k E g εμ⋅-=。

在此，我们已从第一项中略去了零点能。

对于一个两能级原子，考虑到ba ab μμ=，我们可令bak ab k k g g g ==，于是方程（2.49）可进一步简化为：∑∑+++++++=kk k ba ab k bb b aa a kk k k a a g E E a a H ))(()(σσσσν(2.50)若我们令bb aa z σσσ-=，ab σσ=+，ba σσ=-，考虑到ω =-b a E E 和1=+bb aa σσ，并略去常数能量因子2/)(b a E E +，则方程（2.50）变为：∑∑+-++++++=kk k k z k k k k a a g a a H ))((21σσωσν(2.51)在上式中，相互作用能由四项组成。

光场与物质相互作用在自然界中，光场与物质之间的相互作用是一种普遍而且重要的现象。

无论是我们日常生活中的光与物体的相互作用，还是科学研究中的光谱分析、光电磁学等领域，光场与物质之间的相互作用都起着重要的作用。

本文将探讨光场与物质相互作用的原理和应用。

第一部分：光的本质与光场的特性光是一种电磁波，具有波粒二象性。

在光场中，光波的传播方式具有一定的特性，如干涉、衍射、偏振等现象。

这些现象都表明光场在传播过程中与物质发生了相互作用，从而产生了种种有趣的现象。

第二部分：物质对光的吸收、散射和透射物质对光的吸收、散射和透射是光场与物质相互作用的重要表现形式。

当光照射到物质表面时，部分光被物质吸收，部分光被散射，部分光通过物质透射。

这种相互作用是由物质的分子和原子结构决定的，并且与光场的频率和强度密切相关。

第三部分：光场与物质的相互作用对物质的影响光场与物质的相互作用对物质的性质和行为产生了重要影响。

例如，透过某些特定物质的光场会改变其颜色、折射率和透明度，从而产生独特的光学效应。

另外，在光场的作用下，物质的电子结构也会发生变化，导致光电子发射和光化学反应等现象的发生。

第四部分：光场与物质相互作用在科学研究和技术应用中的意义光场与物质相互作用在科学研究和技术应用中具有广泛的应用价值。

光谱分析是通过物质对不同波长光的吸收、发射和散射特性来研究物质结构和性质的重要手段。

此外，光场与物质相互作用也在光电磁学、激光技术、光储存等领域发挥了重要作用。

结语无论是大自然中的彩虹、闪电，还是现代科技中的光纤通信、光电子器件，光场与物质相互作用的影响随处可见。

对于我们来说，理解和掌握光场与物质相互作用的原理和规律，不仅可以增进对世界的认识，还可以推动科学技术的进步。

希望本文能为读者提供一些启示，进一步探索光场与物质相互作用的奥秘。

非线性光学非线性光学是现代光学的重要分支，研究强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. 非线性光学的起源可以追溯到1906年的泡克尔斯效应和1929年克尔效应的发现，但是非线性光学成为今天这样一门重要科学，应该说是从激光发现以后才开始的.非线性光学的发展大体可划分为三个阶段：20世纪60年代初为第一阶段，这一阶段大量非线性光学效应被发现，如光学谐波、光学和频与差频、光学参量振荡与放大、多光子吸收、光学自聚焦以及受激光散射等都是这个时期发现的；第二阶段为60年代后期，这一阶段一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应，另一方面则主要致力于对已发现的效应进行更深入的了解，以及发展非线性光学器件；第三阶段是70年代至今，这一阶段非线性光学日趋成熟，已有的研究成果被应用到各个技术领域和渗透到其他有关学科（如凝聚态物理、无线电物理、声学、有机化学和生物物理学）的研究中.非线性光学的研究在激光技术、光纤通信、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.一、 光场与介质相互作用的基本理论1．介质的非线性电极化理论很多典型的光学效应均可采用介质在光场作用下的电极化理论来解释.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，从而引起光场感应的电偶极矩，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，它被定义为介质单位体积内感应电偶极矩的矢量和：V p P ii V ∆=∑→∆ lim 0 （1）式中i P是第i 个原子或分子的电偶极矩. 在弱光场的作用下电极化强度P 与入射光矢量E 成简单的线性关系，满足E P 10χε= （2）式中0ε称为真空介电常数，1χ是介质的线性电极化率. 根据这一假设，可以解释介质对入射光波的反射、折射、散射及色散等现象，并可得到单一频率的光入射到不同介质中，其频率不发生变化以及光的独立传播原理等为普通光学实验所证实的结论.然而在激光出现后不到一年时间（1961年），弗兰肯（P.A.Franken ）等人利用红宝石激光器输出694.3nm 的强激光束聚焦到石英晶片（也可用染料盒代替）上，在石英的输出光束中发现了另一束波长为347.2nm 的倍频光，这一现象是普通光学中的线性关系所不能解释的.为此，必须假设介质的电极化强度P 与入射光矢量E 成更一般的非线性关系，即)(3210 +++=E E E E E E P χχχε （3）式中1χ、2χ、3χ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1χ、2χ、3χ…依次减弱，相邻电极化率的数量级之比近似为11E n n ≈-χχ （4） 其中0E 为原子内的平均电场强度的大小（其数量级约为1011V/m 左右）. 可见，在普通弱光入射情况下，0E E <<，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. 而用单色强激光入射，光场强度E 的数量级可与0E 相比或者接近，因此二阶或三阶电极化强度的贡献不可忽略，这就是许多非线性光学现象的物理根源.2．光与介质非线性作用的波动方程光与介质相互作用的问题在经典理论中可以通过麦克斯韦方程组推导出波动方程求解.对于非磁性绝缘透明光学介质而言，麦克斯韦方程组为tD H ∂∂=⨯∇ （5） tH E ∂∂-=⨯∇ 0μ （6） 0=∙∇B （7）0=∙∇D （8） 式（5）和（8）中的电位移矢量D 为P E D+=0ε，代入式（5）有 tP t E H ∂∂+∂∂=⨯∇ 0ε 两端对时间求导，有 22220tP t E t H ∂∂+∂∂=∂∂⨯∇ ε （9） 对式（6）两端求旋度，有 tH E ∂∂⨯∇-=⨯∇⨯∇ 0)(μ 将矢量公式E E E E 2)()()(-∇=∇∙∇-∙∇∇=⨯∇⨯∇ 代入式（9）有22022002tP t E E ∂∂+∂∂=∇ μεμ （10） 上式表明：当介质的电极化强度P 随时间变化且022≠∂∂tP 时，介质就像一个辐射源，向外辐射新的光波，新光波的光矢量E由方程（10）决定. 3．非线性光学的量子理论解释采用量子力学的基本概念去解释各种非线性光学现象，既能充分反映强激光场的相干波动特性，同时又能反映光场具有能量、动量作用的粒子特点，从而可对许多非线性光学效应的物理实质给出简明的图像描述.该理论将作用光场与组成介质的粒子（原子、分子）看成一个统一的量子力学体系而加以量子化描述，认为粒子体系在其不同本征能级间跃变的同时，必然伴随着作用光场光子在不同量子状态分布的变化，这些变化除了光子的吸收或发射，更多的涉及到两个或两个以上光子状态的改变（如多光子吸收与发射、光散射等），此时对整个物理过程的描述必须引入所谓中间状态．．．．的概念. 在这种中间状态内，光场的光子数目发生了变化，粒子离开原来所处的本征能级而进入激发状态；但此时粒子并不是确定地处于某一个本征能级上，而是以一定的几率分别处于它所可能的其他能级之上（初始能级除外）. 为了直观地表示这一状态，人们又引入了虚能级．．．的图解表示方法. 在用虚能级表示的这种中间状态中，由于介质粒子的能级去向完全不确定，则按照著名的不确定关系原理，粒子在中间状态（虚能级）上停留的时间将趋于无穷短.利用中间状态的概念和虚能级的表示方法，可以给出大部分有关非线性光学效应的物理图像.二、 非线性光学效应1．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以及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.需要注意的是，二阶非线性效应只能发生于不具有对称中心的各向异性的介质，而三阶非线性效应则没有该限制.这是因为对于具有对称中心结构的介质，当入射光场E相对于对称中心反向时，介质的电极化强度P 也应相应地反向，这时两者之间只可能成奇函数关系，即)(553310 +++=E E E P χχχε，二阶非线性项不存在.1.1 光学倍频效应光的倍频效应又称二次谐波，是指由于光与非线性介质（一般是晶体）相互作用，使频率为ω的基频光转变为ω2的倍频光的现象。