MIT非线性光学讲义X
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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)9.1光学双稳态的理论 (83)9.2光学双稳态器件 (85)9.2光学双稳态器件的应用 (85)绪论非线性光学是一门光电子技术专业的专业基础课程,对于研究生深造和从事相关光电子专业的工作奠定理论基础。
第六章:二能级近似中的非线性光学6.1 引言在前些章,我们对非线性光学的处理最常使用的方法是材料系统对外加光场的幂级数展开。
在最简单的情况,这个关系可以取下面的形式()()()12323000.P E E E εχεχεχ=+++ (6.1.1) 然而,还有一些情况下,这种幂级数展开是不收敛的,必须使用不同的方法来描述非线性光学效应。
一个例子是饱和吸收体,吸收系数α和外加场的光强202I n c E ε=的关系为,1sI I αα=+ (6.1.2)这里0α是弱场吸收系数,s I 是一个光学常数称为饱和强度。
我们能够展开这个方程为一个幂指数()()()2301.s s s I I I I I I αα =−+−+(6.1.3)但是,这个级数只在s I I <时收敛,因此在这种情况下可以用幂级数展开来处理。
在一个材料系统是共振激发情况下,微扰技术往往不足以描述系统对外加场的响应。
但是,在这种情况下,采用两个原子能级来处理往往足够描述。
用非微扰处理增加的复杂性部分被二能级近似所补偿。
当只有两个能级包含在理论分析中时,不需要对出现在一般量子力学表达式中的所有原子的能级求和(象第三章那样)。
在本章,我们将大部分内容集中在单色光束和二能级原子集合相互作用。
处理是第四章的拓展。
另外,最后两节,通过涉及二能级原子集合的非简并四波混频我们将归纳了处理方法。
尽管二能级模型忽略了实际原子系统的许多特征,但是在二能级近似情况下描述的物理过程仍然很丰富。
一些过程能够发生,在本章中描述的过程包括饱和效应,功率展宽,Rabi 振荡和光学Stark 位移。
6.2. 二能级原子的密度矩阵运动方程我们首先考虑在没有阻尼效应情况下的二能级密度矩阵运动方程。
因为对于不同的物理条件下,阻尼机制可以差别很大,在这个模型中没有特有的方式来包括阻尼。
因此,现在的处理可以作为将来包括任何的一个出发点。
我们处理的相互作用如图6.2.1所示。
Second Harmonic Generation (SHG)
Assume r
gg . Calculate r
ig
(2)
at 2ω.
Two choices for interaction,
Translate A
For steady state, we get
"Resonant term"
Note: If j, g have the same parity, no SHG.
172
173
Population Change
()
2nn ρ,()2gg ρ
Consider only resonant terms.
Translation of Diagrams Directly into Steady State Solutions
For simplicity, consider only terms which start from diagonal states (population, but no initial induced polarization).
ρto account for initial population.
1. Include a factor of ()0gg
2.For each interaction, include an appropriate perturbation matrix
element evaluated at the final time t.
174
3. For intermediate state, each pair of vertical lines after the first interaction contributes a resonance factor given by:
(a) the signed sum of all interaction frequencies up to the
intermediate state,
(b) minus one complex frequency associated with the
intermediate state.
4. Include a factor of h for each interaction and a factor of -1 for each interaction with the bra.
Example: Linear polarization
Example: Stimulated Raman Scattering
175
Four Wave Mixing
Consider the interaction of three fields,
Nonlinear polarization, P
4(3)
ω
4
= ω
1
−ω
2
+ ω
3
k4= k1- k2+ k3
(phase matching
condition) Assume near resonance, two-level system.
176
177
178
Additional terms
Degenerate FWM
ω = ω1 = ω2 = ω3
Δk =0
k4 vector for polarization must be the same length as k vector
at incident field.
Several methods to match phase
"Collinear"
"Counter Propagation"
"Phase Conjugation"
"Folded Box"
Consider translation of diagrams,
179
Diagram A:
For steady state t o → −∞
Resonance for
ω1= ωng
ω1= ω2
ω1−ω2+ω3= ωng
We can get solution to diagrams C & D from A & B by substituting
ω1→ω3
ω3→ ω1
Steady state diagram C:
For diagram E:
Steady state solution,
180
Resonance for
Interpretation of diagrams:
A & B, (C' & D'): population grating at k1 − k2 scatters k3
C & D, (A' & B'): population grating at k3 − k2 scatters k1
E & F: Second harmonic at ω1 +ω3, k3 + k1
mixed with ω2 , k2 .
181
182
§ Transient Four-Wave Mixing
We can use resonance behavior to study damping and lifetime of quantum systems.
Consider transient behavior. Response to pulsed field
where E(t) : envelope.
Diagram A:
For simplicity, assume fields degenerate and on resonance ω = ωng . Recall that T 2 time is short and A ng is fast. Induced polarization will took the applied field envelope.
Thus, the total expression for diagram A, assuming that Γng = 1
2−T is faster than the pulse duration, may replace t 1 and t 3 integral.
Diagram B reduces to the same expression as diagram A.
Diagram C: (ω3 ↔ω1)
Assume E1, E2 are coincident in time and E3 arrived at a later time.
Generated dipole has a momentum in k3 direction and will
change E3's amplitude.
183
• Now assume E1, E2 are not coincident in time, but w1 ≅ w2 and on resonance.
Pulse E1(t ) and E2 (t ) are short enough that is comparable to T2 , and T1 is much longer.
184
The integration in [ ]
The last two integral become (t2 > t1)
With t2 −t1 ≥ 0
τ ≡ t2 −t1
τ ' ≡ t1 − t2
185。