非线性光学

现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度正比于光波的电场强度E，光波叠加时遵守线性叠加原理（见光的独立传播原理）。

公式

介质极化率P与场强E的关系可写成

。

非线性效应是E的一次方项，以及比其更高次方的项共同起作用所产生的结果。

发展

非线性光学的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效应的发现和1929年克尔效应的发现。

但是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。激光的出现为人们提供了强度高和相干性好的光束。而这样的光束正是发现各种非线性光学效应所必需的(一般来说，功率密度要大于10W/cm（但对不同介质和不同效应有着巨大差异）。

自从1961年，人民军弗兰肯等人首次发现光学二次谐波以来，非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期。第一个时期是1961～1965年。这个时期的特点是新的非线性光学效应大量而迅速地出现。诸如光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸收、光束自聚焦以及受激光散射等等都是这个时期发现的。第二个时期是1965～1969年。这个时期一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应，例如非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等等；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，以及发展各种非线性光学器件。第三个时期是70年代至今。这个时期是非线性光学日趋成熟的时期。其特点是：由以固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效应的研究；由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至更高阶效应的研究；由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究；就时间范畴而言，则由纳秒进入皮秒领域。这些特点都是和激光调谐技术以及超短脉冲激光技术的发展密切相关的。

光与物质的非线性相互作用

光波在介质中传播时，介质的极化强度矢量P与光波的场强E之间的关系可表示为

式中X

,X

,X

,…，分别称为介质的一阶、二阶、三阶、…电极化率，它们通常都是张量。对常用的晶体，X

≈10esu，X

≈10 esu。普遍光源的相干性很差，亮度低，高次方项的影响可以忽略，介质的极化强度与单射光波的场强成正比。

激光是极强的相干光，高度比普遍光高几十亿倍，场强高次方项对介质极化的影响不能忽略。由麦克斯韦方程可导出包括光波场强高次方项作用在内的非线性波动方程组。这样，大部分新的光学现象都可以得到满意的解释。例如，若只考虑二次项的标量形式，则频率为v的光E＝E0sin(2πvt)射入介质，极化强度

因此，介质极化中有相当于入射光频率二倍的成分，相应的电磁辐射中就有频率为2v的光出现。

已观察到的非线性光学效应主要有光二倍频、和频、差频、光参量振荡（放大）、高次倍频、自聚焦、自透明等。

和频频率为v1和v2的两束光（其中至少有一束是激光）同时单射到某些介质中时，产生频率为v=v1+v2的光束。

差频频率为v1和v2(v1＞v2)的两束光(其中至少有一束是激光) 同时入射到某些介质中时，产生频率为v3＝v1－v2的光束。

高次倍频频率为 v的激光入射到某些介质中时，产生频率为3v 的激光。这种现象称为三倍频，或称为三次谐波发生。类似的还有四倍频、五倍频等。

自聚焦在强激光作用下，介质的折射率不再是一个常量，而与光强有关。这可能使平行的激光束射入介质后会聚成一束细丝，且以这种细丝状在介质中继续传播。

自透明在强激光作用下介质的吸收系数减小，即对某些频率的弱光辐射是不透明的介质，对同样频率的强激光则变成透明的。

此外，非线性光学现象还有双光子吸收、多光子吸收、多光子电离、多光子荧光、位相复共轭、光学双稳态、受激钱德拉塞卡拉·拉曼散射、受激路易·布里渊散射、受激瑞利散射等。

光学晶体

光通信和集成光学使用的非线性光学晶体，包括准相位匹配（QPM）多畴结构晶体材料与元器件；

激光电视红、绿、蓝三基色光源使用的非线性光学晶体；

应用于下一代光盘蓝光光源的半导体倍频晶体（如KN和某些可能的QPM产品）；

新型红外、紫外、深紫外非线性晶体的研发和生产。

参考书目

N.Bloembergen,Nonlinear 光学,W. A. Benjamin,New York,1965.

参考资料

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