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非线性光学大纲

非线性光学大纲
非线性光学大纲

非线性光学大纲

一、光波在非线性介质中的传播

1. 非线性光学晶体的介电张量

2. 光波在非线性介质中的基本方程

3. 非线性极化率

4.非线性光学材料

二、二阶非线性光学效应

1. 三波相互作用的耦合波方程

2. 光学二次谐波

3. 光学和频、差频与参量过程

三、三次谐波和四波混频

1. 三次谐波产生

2. 四波混频

3. 光学相位共轭

四、光克尔效应和自聚焦

1. 光感生折射率改变

2. 光克尔效应

3. 光束的自聚焦

4. 三阶非线性极化率的Z扫描测量法与技术

五、受激散射效应和双光子吸收

1. 受激拉曼散射

2. 受激布里渊散射

3. 双光子吸收

六、光折变效应

1. 光折变效应的物理图像

2. 光折变两波耦合

3. 光折变四波耦合

4. 光折变自泵浦与互泵浦相位共轭

七、光波导内的非线性光学

1. 电介质波导中的电光调制和模式耦合

2. 导波中的非线性效应

3. 脉冲光在光纤内的传播

八、半导体中的非线性光学效应

1. 在光场作用下半导体载流子的非线性运动

2. 能级间跃迁的非线性

3. 半导体量子阱中的饱和吸收

4. 复合材料中的非线性效应

参考书:

1. 非线性光学,石顺祥等,西安电子科技大学出版社

2. 非线性光学,李淳飞,哈尔滨工业大学出版社

3. 非线性光学,费浩生,高等教育出版社

非线性光学晶体的研究现状

非线性光学晶体的研究现状 摘要 本文论述了近几年的非线性光学晶体的研究现状,重点介绍了非线性光学晶体中的两大类:无机非线性晶体和有机非线性晶体的研究现状。 关键字:非线性光学晶体;无机;有机;现状; 1.引言 1961年, Franken首次发现了水晶激光倍频现象。这一现象的发现,不仅标志着非线性光学的诞生, 而且强有力地促进了非线性光学晶体材料的迅速发展。 随着非线性光学的深入研究和新型材料的不断发展, 使得非线性光学晶体材料在信息通讯、激光二极管、图像处理、光信号处理及光计算等众多领域都具有极为重要的作用和巨大的潜在应用,这些研究与应用对非线性光学晶体又提出了更多更高的物理化学性能要求, 同时许多应用也还在层出不穷地发展中,正是由于非线性光学晶体有着如此广阔的应用前景以及这些应用可能带来的光电子技术领域的重大突破,所以寻找与合成性能优异的新型非线性光学晶体一直是一个非常重要的课题,成为该领域人们关注的热点之一。 2.无机非线性光学晶体 无机非线性光学晶体是人们研究得较早的非线性光学材料, 大致可分为:(1)无机盐类晶体,包括硼酸盐、磷酸盐、碘酸盐、铌酸盐、钛酸盐等盐类晶体;(2)半导体型非线性光学晶体, 如Te、Se、GaAs、ZnSe、CdGeAs2 和CdGe(As1-xP)2等。随着激光科学与技术的不断发展,在频率转换方面,无机非线性光学晶体材料起着越来越重要的作用,下面我简单介绍几种。 (1)Cr : KTP晶体 晶体磷酸钦氧钾(KITOPO4,KTP )是一种具有优良性能的非线性光学晶体,具有非线性光学系数大, 透光波段宽,化学性能稳定,耐高温等特性.现已广泛地被用于激光频率转换领域.近些年来,随着光电子技术的发展,人们对掺杂KTP型晶体进行了多方面的研究,已形成了一系列KTP晶体家族.掺入有价值的稀土离子并使其符合发光要求,可获得激光自倍频晶体.1990年,LinJT首次简单地报道了Cr: KTP晶体实现激光自倍频运转情况. Cr : K T P 晶体的荧光发射波段为8 00-8 50n m, 可望在自倍频后转换成波长为400-425nm的蓝色激光输出.但Cr: K T P晶体对蓝光有较强的吸收, 可采用晶体的定向生长方法来加以弥补.波长800-850nm 的基频光, 远小于KTP晶体的n类位相匹配的截止波长(1000nm左右), 因此, 当Cr :KTP晶体自倍频时, 只能使用I类位相匹配,而I类相匹配的有效非线性光学数相当小.但随着对KTP晶体应用研究的深入,特别是它在光波导领域中的应用,人们已成功地研制出多种新的位相匹配技术,如准位相匹配技术,实现了高效率I类倍频转换,输出波长范围为380-480nm,效率已超过50 % /w·cm2, 这些新的应用技术的发明,为进一步研究Cr:KTP晶体的激光自倍频效应展示出广阔的应用前景。 (2)AgGaS2 和AgGaSe2 晶体 AgGaS2 属于黄铜矿结构的晶体,点群42m。其透过范围从0.53 ~12μm。尽管它是以上提到的所有红外晶体中非线性光学参数最小的,但由于它达到550 nm的超短波透明性, 可用在Nd:YAG激光器泵浦的OPO中以及使用二氧化碳、Ti:蓝宝石、Nd:YAG与IR 染料,波长范围3-12μm的激光器的各种不同混频试验中。它还应用于直接对抗红外系统和CO2激光器的SHG。 AgGaSe2 也属于黄铜矿结构。具有0.73 ~18μm的透过波段范围。它的有效传输范围是0.9 ~16 μm,当使用各种现行常用的激光器泵浦时,其相位匹配范围大的特点使其应用到OPO中具有很大潜力;当使用波长2.05μm的Ho:YLF激光器泵浦时, 波长在 2.5 ~

非线性光学讲义

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)

非线性光学材料小结

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

(整理)非线性光学复习材料.

{ 非线性光学复习资料 1. 高斯单位制下的麦克斯韦方程组,并由此推导波动方程: 2 222224)(1)(t c t c NL ??-=???+????P E E πε 高斯单位制下麦克斯韦方程组 t c c t c ??+= ??=????-=??=??E j B B B E E 14014ππρ 2. 线性光学与非线性光学的主要区别。 A 为线性光学,B 为非线性光学 E (1)A :单束光在介质中传播,通过干涉、衍射、折射可以改变光的空间能量分布和传播方向,但与介质不发生能量交换,不改变光的频率。 & B :一定频率的入射光可以通过与介质的相互作用而转换成其他频率的光(倍频等),还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强的光(受激拉曼散射等)。 (2)A :多束光在介质中交叉传播,不发生能量相互交换,不改变各自的频率。B :多束光在介质中交叉传播,可能发生能量相互转移,改变各自频率或产生新的频率。 (3)A :光与介质相互作用,不改变介质的物理参量,这些物理参量只是光频的函数,与光场强度变化无关; B :光与介质相互作用,介质的物理参量如极化率、吸收系数、折射率等是光场强度的函数(非线性吸收和色散、光克尔效应、自聚焦等)。 (4)A :光束通过光学系统,入射光强与透射光强之间一般呈线性关系;B :光束通过光学系统,入射光强与透射光强之间呈非线性关系。 (5)多束光在介质中交叉传播,各束光的相位信息彼此不能相互传递。 B :多束光在介质中交叉传播,光束之间可以相互传递相位信息,而且两束光的相位可以互相共轭(光学相位共轭)。 3. ( 4. 写出电场强度的付氏振幅的表达形式,并对电强度进行付氏分解。 对于角频率为1ω、波矢为1k 、初相位为1φ的单色平面波:

3.6_电光效应光折变效应非线性光学效应

3 材料的光学性能
3.1 光传播的基本性质 3.2 光的反射和折射 3.3 材料对光的吸收和色散 3.4 光的散射 3.5 材料的不透明性和半透明性 3.6 电光效应、光折变效应、非线型光学效应 3.7 光的传输与光纤材料 3.8 特种光学材料及其应用
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3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
3.6.1 电光效应及电光晶体 (1) 电光效应(electro-optical effect) 由于外加电场所引起的材料折射率的变化效应。 电场与折射率的关系:
n = n + aE0 + bE + L
0 2 0
泡克尔斯效应
克尔电光效应
n0:没有加电场E0时介质的折射率 a, b:常数
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3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
3.6.1 电光效应及电光晶体 (a) 泡克尔斯效应(Pockels effect) 1893年
在没有对称中心的晶体中,外加电场与折射率的 关系具有一次电光效应。 旋转椭球折射率体 三轴椭球光折射率体 (双轴晶体) rc:电光陶瓷的电光系数
1 3 Δn = n rc E 2
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3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
3.6.1 电光效应及电光晶体
透 明 电 极
压 电 晶 体
透 明 电 极
电光晶体:KDP 偏振片:P1⊥P2 电场∥光传播方向 光沿光轴方向传播
ΚD
P
偏振片1
不加电场 不加电场
偏振片2
P P22 不透光 不透光
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有机非线性光学材料

有机非线性光学材料 杨韶辉 摘要: 该文简要介绍非线性光学材料及其特性,阐述了有机非线性光学材料的分类及其应用,着重对各类有机低分子非线性光学材料进行分类讨论。 关键词:有机非线性光学材料,有机低分子非线性光学材料 一、非线性光学材料概述 [1] 1961年,Franken首次发现了若干材料的激光倍频现象。因非线性光学的 发展与激光技术的发展密切相关,故这种现象的发现,不仅标志着非线性光学的诞生,而且强有力地推动了非线性光学材料科学的发展。科技工作者之所以对非线性光学感兴趣,主要有以下原因:可利用非线性光学效应做成某种器件,例如变频器,从而有可能提供从远红外到亚毫米波、从真空紫外到X射线的各种波段的相干光源;由于某些非线性光学效应,例如双光子吸收、受激喇曼散射等,会引起入射到介质中的光束的衰减,从而限制了通过介质的光通量,又如自聚焦现象会引起入射光束的畸变,强度太强时,甚至会导致介质的不可逆损伤,这就从实际向人们提出了急需解决的问题;由于非线性光学效应是通过强激光与组成非线性介质的原子或分子的相互作用体现的,因而非线性光学现象是获得这些原子或分子的微观性质信息的一种手段。 正因非线性光学的诸多特性,使人们对具此类特性的材料研究日益深化,并正不断地被应用到光通信技术等各个方面。尤其多年来对有机材料的非线性光学特性研究,为其应用提供了理论依据,如酞菁类化合物,它的非线性系数高、响应快、光损伤阈值高和化学稳定等特性, [2,3]因而有着无法估量的非线性光学应用前景。

在线性光学范围内,描述电磁辐射在介质中传播规律的麦克斯韦方程组是一组线性的微分方程,它们只包括场强矢量的一次项。当单一频率的辐射入射到非吸收介质时,除喇曼散射外,其频率是不会发生变化的。如果不同频率的光同时入射到介质时,它们彼此之间不产生耦合,不可能产生新的频率,若以数学形式表示时,具有线性的关系。但在激光出现后,介质在强激光作用下产生的电极化强度P与入射辐射强度E的关系,不是简单的线性关系。从而引起非线性光学效应。它反映了介质与强激光束相互作用的基本规律。非线性光学是由于构成物质 [4]的原子核及其周围电子在电磁波场的作用下产生非谐振性运动的结果。一般而言,要寻找具有好的非线性光学性质的材料,其关键性能指标是:(1)非线性系数高;(2)响应时间短;(3)光损 [4]伤阈值高。 产生非线性光学效应的首要条件取决于材料。一般来说,无论从材料的组成,还是结构,就种类而言,大致分两类:无机非线性光学材料和有机非线性光学材料。 非线性光学材料人们已经找到很多,按其非线性效应来分可以分为二阶非线性光学材料和三阶非线性光学材料二阶非线性光学材料主要有: (1)无机倍频材料如三硼酸锂(LBO)、铌酸锂(LiNbO)、碘酸短(LiIO,KDP)、33磷酸氧钛钾(KTiOPO,KTP)、β-偏硼酸钡(β-BaBO,BBO)、α石英等 424 ( 2)半导体材料有硒化镉( CdSe)、硒化镓(GaSe)、硫镓银、硒镓银、碲(Te)、硒(Se)等 (3)有机倍频材料有尿素、L-磷酸精胺酸(LAP)、醌类、偏硝基苯胺、2-甲苯-4-硝基苯胺、羟四甲基四氢吡咯基硝基吡啶、氨基硝基二苯硫醚、硝苯基羟基四氢吡咯以及它们的衍生物 (4)金属有机化合物,如二氯硫脲合镉、二茂铁类化合物、苯基或吡啶基过渡金属羰

非线性光学(复习)

2015非线性光学复习 绪论非线性光学进展 发展阶段,重要事件(时间),著作 第一章光与物质相互作用的经典理论 非简谐振子模型, 电极化强度 P(n), 极化率的一般性质 补充一晶体学基面础 晶系的划分,晶体的对称性,点群表及国际符号,点群国际符号对应方向 补充二晶体性质的数学描述 张量的基本知识,张量分量的坐标变换,对称矩阵及逆变换,坐标变换矩阵,宏观对称性对张量分量的约化 第三章光波在非线性介质传播的电磁理论 光波在晶体中传播特性,波法线菲涅耳方程,光在单轴晶体中的传播规律,折射率椭球及折射率曲面,耦合波方程,相位匹配概念及方法,相位匹配条件及偏振分析 第四章二阶非线性光学效应 线性电光效应,光学整流效应,谐波、和频及差频,有效非线性系数,光参量放大与振荡,参量振荡的频率调谐 第五章三阶非线性光学效应 自聚焦效应、三次谐波的产生,四波混频,双光子吸收,受激Raman散射 第七章四波混频与光学相位共轭 四波混频与光学相位共轭

第一章 非线性光学极化率的经典描述 线性光学过程的经典理论 1、光和物质相互作用的经典理论 组成物质的原子、分子,在入射光波电磁场作用下感生出电偶极矩, 运动产生电磁波辐射。 2、谐振模型 原子(分子)中电子在光频电磁场驱动下,作带阻尼的强迫运动。 3、光的散射与吸收、发射 非线性光学 可观察的非线性光学效应,通常要用激光,甚至脉冲强激光 1、非线性过程 A 、强光在介质中感应出非线性响应(本构方程) B 、介质反作用,非线性的改变光场(Maxwell eqs ) 耦合波方程组 2、电极化强度 P (n) (1.2-35~38) 3、非简谐振子模型 ω02 x + a x 2 + b x 3 + … 谐振子 非简谐振子 线性 二阶 三阶 … 非线性 4、非线性光学极化率的对称性 ㈠ 两个普遍关系 真实性条件: ),,;(),,;(1) (1)(11n n j j i n n j j i n n ωωωχωωωχσσ--=-*ΛΛΛΛ (E ,P 实数) 本征对易对称性: ),,;(),,;(1)(1)(11n n j j i n n j j i n n P ωωωχωωωχ σσΛΛΛΛ-=-∧ 算符∧ P 代表数对),(,),,(11n n j j ωωΛ的任何交换 ㈡ 透明(无损耗)介质: ① 完全对易对称性: 上式中的算符∧ P 还包括数对),(σωi 与其它数对的任何交换.这一对称性把同一阶的不同非线性光学效应的极化率分量之间建立关系. ② Kleinman 对称性: 当介质为弱色散时, 非线性光学极化率基本上与 频率无关. 例如二阶非线性极化率),;()2(βασωωωχ-ijk 若满足此 对称性时便有 Λ=-=-=-),;(),;(),;() 2() 2() 2(βασβασβασωωωχωωωχωωωχjki jik ijk 它使极化率的独立分量数目大为减少. 简并度: 1212! (......)!!......! r r N M M M N M M M +++= ㈢ 空间对称性: 晶体具有空间对称性,各阶非线性极化率的分量之间有一定关系,使极化率的独立分量数目大为减少.

二维非线性光学材料

二维非线性光学材料 项目简介 光学信息处理是解决当前大数据处理系统在带宽、能耗、速度等瓶颈问题上的主要技术手段。纳米尺度非线性光学材料是全光集成系统中高性能单元器件(光开关、光调制器、探测器等)的核心。具有优异非线性光学特性,特别是非线性吸收和折射率的二维纳米半导体材料在物性、集成度、兼容性上独具优势,是构筑未来高性能全光信息系统的关键之一。 作为国际上最早开展二维材料非线性光学工作的研究者之一,在中组部、国家基金委、中科院、上海市科委等项目的资助下,我们团队在国际上率先揭示了石墨烯、过渡金属硫化物和黑磷等重要二维材料的超快非线性光学特性,验证了高性能二维半导体在强激光防护光限幅器和超短脉冲激光锁模器上的重要应用,取得如下主要成果: 成果一:二维半导体非线性光学效应及物理 在国际上首先揭示了过渡金属硫化物、石墨烯、黑磷等重要二维半导体的非线性光学特性;证实了钼硫族二维材料的宽带非线性吸收和折射率,以及禁带调控色散效应;实现了二维半导体的非线性特性调控工程;从单层MoS2中观测到暗态激子共振巨双光子吸收效应;观测到二维半导体中的自相位调制效应、非线性折射率色散、二维材料光学特征矩阵、光致透明效应、快/慢饱和吸收效应、全光开关调控和光限幅特性、双光子吸收饱和效应等;这些原创成果为理解二维半导体非线性光学物理机理,开发高性能非线性光学器件及全光计算等集成系统应用奠定了良好的实验和理论基础。 成果二:二维半导体非线性光学材料及应用 基于石墨烯、MoS2及其改性衍生材料等优异的非线性特性,实现了超短激光脉冲锁模器和强激光防护光限幅器等重要应用;合成出酞菁修饰的石墨烯宽带强激光防护光限幅材料;合成出MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等过渡金属硫化物宽波段强激光防护光限幅材料;在批量制备大尺寸、高性能二维半导体非线性光学材料和二维半导体强激光防护光限幅复合材料等方面进行了大量原创性基础研究工作。特别是以非线性激光防护物理研究,结合高性能激光防护材料研制为基础,正在为中电53所、中航工业613所等单位的激光应用系统研制强激光防护装置,用于对某型号机载光电系统和激光雷达探测器进行防护,在宽波段、多时间尺度上对抗外部强激光的干扰和致盲,具有防护阈值低、消光比高、稳定性强等特点。该装置可以填补某型机载光电系统无激光防护装置的空白,可以对多种型号的激光雷达进行有效的激光损伤防护,具有很好的市场价值,如无人驾驶汽车激光雷达防护等。 2011-2016年期间,我们团队在ACS Nano、Laser & Photonics Reviews、Nanoscale、Carbon、Photonics Research、Optics Letters、Progress in Materials Science等国际SCI期刊发表二维材料非线性光学论文27篇,他引1269次。其中8篇代表性论文被他引988次,平均每篇被他人引用123次,最高单篇他引426次。主要完成人中1人入选国家青年拔尖人才和基金委优秀青年科学基金、2人入选中科院“百人计划”、3人入选上海市优秀学术带头人。

非线性光学材料

非线性光学材料 摘要:非线性光学材料是一类在光电转换、光开关、光信息处理等领域具有广泛应用前景的光电功能材料。在目前信息技术高速发展的时代,光电子工业发展迅猛,对光电功能材料的需求也日趋增长。在光电子工业中如光开关、光通讯、光信息处理、光计算机、激光技术等都需要以非线性光学材料为基础材料,因此,近几十年来非线性光学材料引起了人们的广泛关注,对它的研究也以日新月异的速度发展着。 关键词:非线性光学材料;光电功能材料 1.简介 在目前信息技术高速发展的时代,光电子工业发展迅猛,对光电功能材料的需求也日趋增长。在光电子工业中如光开关、光通讯、光信息处理、光计算机、激光技术等都需要以非线性光学材料为基础材料,因此,近几十年来非线性光学材料引起了人们的广泛关注,对它的研究也以日新月异的速度发展着。非线性光学材料是指一类受外部光场、电场和应变场的作用,频率、相位、振幅等发生变化,从而引起折射率、光吸收、光散射等变化的材料。在用激光做光源时,激光与介质间相互作用产生的这种非线性光学现象,会导致光的倍频、合频、差频、参量振荡、参量放大,引起谐波。利用非线性光学材料的变频和光折变功能,尤其是倍频和三倍频能力,可将其广泛应用于有线电视和光纤通信用的信号转换器和光学开关、光调制器、倍频器、限幅器、放大器、整流透镜和换能器等领域。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=αE+βE2+γE3+……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。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。 2.非线性光学材料分类 自从20世纪60年代诞生起,非线性光学材料的研究取得了很大的进展,有很多已经进实用化阶段[1-3]。根据组成可将非线性光学材料大致分为无机非线性光学材料,有机非线性

非线性光学原理及应用

《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

非线性光学晶体材料

非线性光学晶体材料 一、什么是非线性光学晶体 光通过晶体进行传播时,会引起晶体的电极化。当光强不太大时,晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性关系,其非线性关系可以被忽略;但是,当光强很大时,如激光通过晶体进行传播时,电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能忽略,这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应,具有这种效应的晶体就称为非线性光学晶体。 二、非线性光学晶体材料的产生 1961年,美国科学家Franken将一束红宝石产生的激光束入射到石英晶体上,发现射出的激光束中除了红宝石的693.4nm的光束外,在紫外区还出现了一条二倍频率的347.2nm的光谱线,这是首次发现晶体的非线性光学效应。科学家们立即认识到非线性光学材料可以作为激光变频材料。在近50年的发展中,非线性光学晶体材料已成为最重要的信息材料之一,广泛应用于激光通信、光学雷达、医用器件、材料加工、x射线光刻技术等,在人们的生活中起到了越来越重要的作用。 图1 激光的倍频辐射现象 三、非线性光学晶体材料的应用和发展 非线性光学晶体与激光紧密相连,是实现激光的频率转换、调制、偏转和Q 开关等技术的关键材料。当前,直接利用激光晶体获得的激光波段有限,从紫外到红外谱区,尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体,可将激光晶体直接输

出的激光转换成新波段的激光,从而开辟新的激光光源,拓展激光晶体的应用范围。非线性光学晶体材料是光电子技术特别是激光技术的重要物质基础,可以用于激光频率转换、调制激光的强度和相位、实现激光信号的全息存储等,在激光通讯、激光信息存储与处理、激光材料加工以及军用激光技术等领域都有重要应用。 图2 非线性光学材料的广泛应用 近几十年来,人们在研究与探索非线性光学晶体材料方面做了大量工作,取得了丰硕的研究成果,涌现出了一批性能优良的非线性光学晶体。人们已将非线性光学晶体材料,由无机晶体拓展到有机晶体,由体块晶体发展到薄膜、纤维和超晶格材料。将非线性光学晶体的性质与其内部微观结构联系起来,有意识的通过分子设计、晶体工程等科学方法来探索与研制各种新型的非线性光学晶体材料,向科学更深层次的方向发展,从而促成了非线性光学领域内不断创新。

非线性光学极化率

第一章 非线性光学极化率 §1.1 导论 “非线性光学”研究什么??“光”对介质“光学性质”的“非线性影响”。 “光”: 强光(Laser) 光强比较:)/(/2m W S W I =或用电场强度)/(m V E 表示 1)正午阳光: )/(2502m W I = (查书:P433) )/(1037.1)/(10324m V E m W I ?=??→?=对应. 2E I ∝ , 2 3224)/(1037.1)/(250)/(10?? ? ????=x m V m W m W , )/(16.2)/(216cm V m V x ==. 2)Laser : 历史:1960年: 梅曼 红宝石 ? A 6943,1961年: Franken 二次谐波 脉冲Laser: ? ????=?--s s t 1512 1010皮秒 飞秒 )(10/1019 W t E ns t J E =??? ??=?= 21021001.0m mm S -==?聚焦后 )/(1033.4/1010219m V E m W I ?=?= 3) 原子内场(以H 原子为例): 国际单位制[MKS+A(安培)] 2 041 r e E at πε= C e 19 10 60.1-?=;m F /1085.8)(120-?=真空中的介电系数ε;V C F /= m A n a r 10 11053.053.0)1,(-? ?====波尔半径 )/(106)(1061121 11 m V m C F m E at ?=????=---------与Laser 比较→同一量级。 高斯单位制[CGS+esu(静电单位)] 2r e E at =

非线性光学材料

非线性光学材料 物理科学与技术学院 物理学类 胡健 2010301020087 【摘要】:本文主要介绍非线性光学材料的发展历程,种类,特征,即非光学性,并展望了非线性光学材料的发展前景,和它在科研项目中所发挥的作用。 【关键字】:非线性光学材料,共振非线性,非共振非线性,非线性系数。 一、非线性光学的由来: 非线性光学材料起步的时间较短。在1961年Franken等用红宝石光束通过石英晶体时,观察到倍频效应。1962年Bloembergen等创立了光波混频理论,这就是非线性光学的的诞生。进而产生非线性光学材料。它指一类受到外部光场、电场和应变场的作用,频率、相位、振幅等发生变化,从而引起折射率、光吸收、光散射等变化的材料,能够进行光波频率转换和光信号处理,比如利用混频现象实现对弱光信号的放大、利用非线性响应实现光记录和运算功能等,因此在激光、通讯、电子仪器及医药器材等领域有重要的应用价值。 二、非线性光学的种类 非线性光学材料就是那些光学性质依赖于入射光强度的材料,非线性光学性质也被称为强光作用下的光学性质,这是因为这些性质只有在

激光的强相干光作用下表现出来的,通过利用非线性光学晶体的倍频、和频、差频、光参量放大和多光子吸收等非线性过程可以得到频率和入射光频率不同的激光,从而达到光频率变换的目的,因此对非线性光学材料的确立就有了以下的依据①有较大的非线性极化率。这是基本的但不是唯一的要求。由于目前激光器的功率可达到很高的水平,即使非线性极化率不很大,也可通过增强入射激光功率的办法来加强所要获得的非线性光学效应;②有合适的透明程度及足够的光学均匀性,亦即在激光工作的频段内,材料对光的有害吸收及散射损耗都很小;③能以一定方式实现位相匹配(见光学位相复共轭);④材料的损伤阈值较高,能承受较大的激光功率或能量;⑤有合适的响应时间,分别对脉宽不同的脉冲激光或连续激光作出足够响应。 对非线性光学材料中最为实用的进行简单介绍: (1)、半导体材料 在电子学中,半导体材料有着极为广泛的用途,通过引入少量的掺杂,就会极大地改变其光学性能,从而满足对半导体材料的不同性能的要求。半导体材料的三阶非线性光学效应表现为与强度相关的反射率和吸收系数。从微观结构来讲,这些效应广义地分类为共振非线性和非共振非线性。当光子能量接近于半导体的基础吸收限时,由光子激发产生载流子,从而产生共振非线性,当光子能量远低于基础吸收限时,产生非共振非线性。半导体材料非线性光学效应的反应速率与产生非线性的机理密切相关。反应最快的非线性光学过程是光电辐射与束缚电子之间的非共振作用,这些与光子作用的电子占据了外层电子壳

(整理)非线性光学复习材料.

非线性光学复习资料 1. 高斯单位制下的麦克斯韦方程组,并由此推导波动方程: 2 222224)(1)(t c t c NL ??-=???+????P E E πε 高斯单位制下麦克斯韦方程组 t c c t c ??+= ??=????-=??=??E j B B B E E 14014ππρ 2. 线性光学与非线性光学的主要区别。 A 为线性光学,B 为非线性光学 E (1)A :单束光在介质中传播,通过干涉、衍射、折射可以改变光的空间能量分布和传播方向,但与介质不发生能量交换,不改变光的频率。 B :一定频率的入射光可以通过与介质的相互作用而转换成其他频率的光(倍频等),还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强的光(受激拉曼散射等)。 (2)A :多束光在介质中交叉传播,不发生能量相互交换,不改变各自的频率。B :多束光在介质中交叉传播,可能发生能量相互转移,改变各自频率或产生新的频率。 (3)A :光与介质相互作用,不改变介质的物理参量,这些物理参量只是光频的函数,与光场强度变化无关; B :光与介质相互作用,介质的物理参量如极化率、吸收系数、折射率等是光场强度的函数(非线性吸收和色散、光克尔效应、自聚焦等)。 (4)A :光束通过光学系统,入射光强与透射光强之间一般呈线性关系;B :光束通过光学系统,入射光强与透射光强之间呈非线性关系。

(5)多束光在介质中交叉传播,各束光的相位信息彼此不能相互传递。 B :多束光在介质中交叉传播,光束之间可以相互传递相位信息,而且两束光的相位可以互相共轭(光学相位共轭)。 3. 写出电场强度的付氏振幅的表达形式,并对电强度进行付氏分解。 对于角频率为1ω、波矢为1k 、初相位为1φ的单色平面波: )cos()(),(11111φωω-?-=r k E r E t t )cos()(),(11111φωω-?-=r k E r E t t 引入付氏振幅: ] )(exp[)(2 1 ),(1111φωω+?=r k E E i r 将其所代表的单色平面波改写成: )exp(),()exp(),(),(11111t i t i t ωωωωr E r E r E *+-= 这样,(1-2-3)式可改写成对称形式: )exp(),()exp(),(),(11111t i t i t ---+-=ωωωωr E r E r E 其中 n n -=-ωω , ),(),(r E r E n n -*=ωω, n 为整数。 这样由N 个频率分别为n ω、波矢为n k 、初相位为n φ的单色平面波组成的光波场),(t r E 就 可表示为: ) exp(),(),(t i t n N N n n ωω-= ∑-=r E r E 4. 非线性极化张量的宏观性质及相应得推导过程: (1)真实性条件:) ,,() 2(m n s ωωω-χ是复张量,它的复共轭张量满足: ),,(),,()2()2(m n s m n s ωωωωωω--=-* χχ 证明。因为),()2(r P s ω是频率为s ω的二次非线性极化矢量),(t r P (2) s 的付氏振 幅,所以有:

非线性光学考试知识答案

1 说出电极化率的4种对易对称性,并说明满足的条件? 本征对易对称性(不需要任何条件)、完全对易对称性(介质无耗)、时间反演对称性(介 质无耗)、空间对称性x(1)是对称张量(介质无耗); 2说出下式的物理意义: 0 xxyz( m, n, l)E x( m)E y( n)E z( l)eX P【i( m n l )t] 表示由频率为3 m,场振动方向为X方向的场分量E X( 3 m),频率为3 n、场振动方向为科方向的场分量E y( 3 n)以及频率为3l,场振动方向为Z方向的场分量E z( 3 1 )三者间的非线性相互作用所引起的在X方向上的三阶非线性电极化强度的一个分量。 3 对于二次谐波和三次谐波,相干长度的物理意义?参量过程中的位相匹配有和物理意义? 举例说明两种实现位相匹配的方法? 1) Lc物理意义:三次谐波强度第一次达到其最大值的路程长度,典型值为1?100mm如K=0, Lc为无穷大。 2) 位相匹配的物理意义:在位相匹配条件下,二次谐波和三次谐波等非线性效应产生过 程效率会大到最高,相应的位相不匹配条件下,产生效率会大大降低。 3) 利用晶体的双折射特性补偿晶体的色散效应,实现相位匹配。 在气体工作物质中,利用缓冲气体提供必要的色散,实现相位匹配。 4为什么参量振荡器能够产生连续输出频率,而激光器只能输出单个频率? 能量守恒 3 3=3 1+ 3 2 动量守恒n 3 3 3=n1 3计n2 3 2 改变温度、角度(对非常光)、电场、压力等可改变晶体的折射率,从而改变参量振荡器的 输出频率1, 2。因此参量振荡器可实现连续调谐。 而激光振荡器是利用原子跃迁的机理工作的,不能连续调谐。这是参量振荡器和激光振荡 器的区别 5在拉曼散射中,为何观察不到高阶斯托克斯散射?在受激拉曼散射中,高阶斯托克斯散射光却较强?高阶斯托克斯光的散射角有什么变化规律? 由p , s非线性作用产生。如一级反斯托克斯散射光s= p+ v= p+ P- s由p p, s通过三阶非线性产生。 P(3)( s,r) 3 0 (3)( p, p s)ha( p)a( p)a( s) E(代入上式,一级反斯托克斯散射光只有满足相位匹配条件:p,r)E( p,r)E ( s,r)exp[i(2K p K = 2K p K s1K s10 K s) r]

非线性光学材料研究

非线性光学材料研究 Company Document number:WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

非线性光学材料研究 摘要: 非线性光学材料是一类在光电转换、光开关、光信息处理等领域具有广泛应用前景的光电功能材料。本文通过对三种非线性光学材料—石墨烯、碳纳米管和量子点的性能、制备以及应用展开综合性描述。阐述当今时代非线性光学材料的发展前景和探索其未来更广阔的的应用领域。 关键词: 非线性光学材料;石墨烯;碳纳米管;量子点;综述 Study on nonlinear optical materials Abstract: Nonlinear optical material is a kind of optoelectronic functional material which has wide application prospect in the fields of photoelectric conversion, optical switch, optical information processing and so on. In this paper, the properties, preparation and application of three kinds of nonlinear optical materials - graphene, carbon nanotubes and quantum dots, are described. The development of nonlinear optical materials in the present age and its future application fields are described. Key words: Nonlinear optical materials; graphene; carbon nanotubes; quantum dots; review 1 简介 非线性光学材料是一类在光电转换、光开关、光信息处理等领域具有广泛应用前景的光电功能材料。在目前信息技术高速发展的时代,光电子工业发展迅猛,对光电功能材料的需求也日趋增长。在光电子工业中如光开关、光通讯、光信息处理、光计算机、激光技术等都需要以非线性光学材料为基础材料,因此,近几十年来非线性光学材料引起了人们的广泛关注,对它的研究也以日新月异的速度发展着。 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。数十年间,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。

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