1、1ppt课件2ppt课件教材：教材：非线性光学物理非线性光学物理 叶佩弦叶佩弦 著著 参考书目：参考书目：1 1、强光光学及其应用强光光学及其应用 刘颂豪刘颂豪 赫光生赫光生 著著2 2、非线性光学原理非线性光学原理 沈元壤沈元壤 著著 顾世杰顾世杰 译译3 3、非线性光学非线性光学 石顺祥石顺祥 陈国夫陈国夫 赵卫赵卫 刘继芳刘继芳 编编著著4 4、非线性光学非线性光学 李淳飞李淳飞 著著5 5、高等光学教程高等光学教程 季家镕季家镕 冯莹冯莹 编著编著 3ppt课件4ppt课件5ppt课件6ppt课件绪论绪论非线性电极化过程和耦合波的基础知识非线性电极化过程和耦合波的基础知识 光学倍频效应
2、光学倍频效应/ / 和频、差频效应（三波混和频、差频效应（三波混 频）频）/ /光学参量振荡和放大效应光学参量振荡和放大效应四波混频四波混频/ / 光学相位共轭光学相位共轭第五章第五章 光学克尔效应光学克尔效应/ / 光束自聚焦光束自聚焦/ / 自相位调制自相位调制/ / 光学双稳态效应光学双稳态效应 第六章第六章 受激拉曼散射受激拉曼散射/ / 受激布里渊散射受激布里渊散射7ppt课件8ppt课件9ppt课件线性相应和非线性响应 描述物理量之间的联系 变化关系 认知逻辑的“惰性” 对变换关系的简单 理解 总希望找到 线性关系 在进一步深化认识的过程中， 又意识到非线性的存在 10ppt课件1
3、1ppt课件12ppt课件非线性科学非线性科学非线性科学，目前有六个主要研究领域，即：非线性科学，目前有六个主要研究领域，即：l 混沌混沌 (Chaos)l 孤子波孤子波（Soliton）l 分形分形（Fractal） l 模式形成模式形成（Pattern formation）l 元胞自动机元胞自动机（Cellular automata）l 复杂系统复杂系统 (Complex system)线性和非线性线性和非线性 (数学和物理上)目前发展起来的非线性物理学科包括：目前发展起来的非线性物理学科包括： * * 非线性光学非线性光学（Nonlinear Optics） * * 非线性声学非线性声学
4、 （Nonlinear Acoustics） * * 非线性动力学非线性动力学 （Nonlinear Dynamics） * * 量子混沌量子混沌 (Quantum Chaos) 13ppt课件非线性光学非线性光学 绪绪 论论研究范畴研究范畴极化响应过程极化响应过程辐射过程辐射过程介质对光场的响应呈线性关系：介质对光场的响应呈线性关系：线性光学线性光学介质对光场的响应呈非线性关系：介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学非线性光学)()(tPtE非线性光学非线性光学是研究强光与物质相互作是研究强光与物质相互作用过程中出现的各种新现象和新效应用过程中出现的各种新现象和新效应光光物质物质)(tE光
5、光)(tP介质极化介质极化辐射辐射)( tE各种非线性光学现象各种非线性光学现象)(P各光波间能量的转换各光波间能量的转换耦合波方程耦合波方程14ppt课件极化 极化对电场的响应非线性响应极化的宏观描述15ppt课件16ppt课件17ppt课件其中，其中， (1)(1)为线性极化率，为线性极化率， (2)(2) 和和 (3)(3)是二阶，三阶非线性是二阶，三阶非线性极化率。对于极化率。对于各向异性介质各向异性介质 ， (n)(n)为（为（n+1n+1）阶张量，）阶张量，张量元张量元一般为复数，实部对应一般为复数，实部对应介质的折射率介质的折射率，虚部对应，虚部对应介质的吸收介质的吸收NLPPP
6、PPEEEEEEP)1()3()2()1()3(0)2(0)1(0 :极化强度的非线性表达介质对光场的响应呈线性关系：介质对光场的响应呈线性关系：线性光学线性光学介质对光场的响应呈非线性关系：介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学非线性光学)()(tPtE18ppt课件诞生适用范围发展阶段 特点绪绪 论论 非线性光学的历史非线性光学的历史19ppt课件最早的光学最早的光学二次谐波产生二次谐波产生19611961年年FrankenFranken20ppt课件21ppt课件atnnEEPP)()1( 原子内的平均电场强度原子内的平均电场强度的大小（的大小（101011 11 V/mV/m） 弱光
7、下，弱光下， ，二阶以上非线性极化强度可，二阶以上非线性极化强度可忽略忽略 强光下，强光下， ，二阶以上非线性极化强度不可，二阶以上非线性极化强度不可忽略忽略atEE atEE 由非线性光学理论可以证明由非线性光学理论可以证明22ppt课件学科特点学科特点l 激光技术激光技术催生非线性光学的出现并推动了其催生非线性光学的出现并推动了其发展。发展。线性光学线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线：若介质对光的响应是呈线性关系，在线性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性叠加原理叠加原理非线性光学非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，：
8、若介质对光的响应是呈非线性关系，在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不成立成立23ppt课件线性光学线性光学非线性光学非线性光学单束光在介质中传播，通过干涉、衍单束光在介质中传播，通过干涉、衍射、折射可以改变空间能量的分布和射、折射可以改变空间能量的分布和传播方向，但与介质不发生能量的交传播方向，但与介质不发生能量的交换，不改变光的频率换，不改变光的频率某一频率的入射光，可通过与介质的相某一频率的入射光，可通过与介质的相互作用转换成其它频率的光（如倍
9、频），互作用转换成其它频率的光（如倍频），还可以产生一系列在光谱上周期分布的还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强（受激拉曼散射）不同频率和光强（受激拉曼散射）多束光在介质中交叉传播，不发生能多束光在介质中交叉传播，不发生能量相互交换，不改变各自的频率量相互交换，不改变各自的频率多束光在介质中交叉传播，可能发生能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量相互转移，改变各自频率或产生新的频率（三波和四波混频）频率（三波和四波混频）光与介质相互作用，介质的物理参量光与介质相互作用，介质的物理参量只是光频的函数，与光场强度变化无只是光频的函数，与光场强度变化无关
10、关光与介质相互作用，介质的物理参数如光与介质相互作用，介质的物理参数如极化率、吸收系数、折射率等是光强的极化率、吸收系数、折射率等是光强的函数（非线性吸收和色散、光克尔效应函数（非线性吸收和色散、光克尔效应和自聚焦）和自聚焦）光束通过光学系统，入射光强与透射光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间一般成线性关系光强之间一般成线性关系光束通过光学系统，入射光强与透射光光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间呈非线性关系，从而实现光开关强之间呈非线性关系，从而实现光开关（光限幅、光学双稳、各种干涉仪开关）（光限幅、光学双稳、各种干涉仪开关）多束光在介质中交叉传播，各光束的多束光在介质中交叉传播，各
11、光束的相位信息彼此不能相互传递相位信息彼此不能相互传递光束之间可以相互传递相位信息，而且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（光学相位两束光的相位可以互相共轭（光学相位共轭）共轭）24ppt课件25ppt课件发展历史（三阶段）发展历史（三阶段）1 1）非线性光学的早期）非线性光学的早期1010年年 （1961-19701961-1970）l 1961，红宝石激光倍频，红宝石激光倍频(SHG) （标志非线性光学真正诞生）（标志非线性光学真正诞生）l 随后发现了几种非线性光学的基本现象和各种瞬随后发现了几种非线性光学的基本现象和各种瞬态光学效应：态光学效应： 和频、差频、参量
12、振荡；和频、差频、参量振荡； 受激拉曼散射、受激布里渊散受激拉曼散射、受激布里渊散射、相干（反）斯托克斯；光子回波、光学章动、光学射、相干（反）斯托克斯；光子回波、光学章动、光学自感生透明；自聚焦、自相位调制、光学相位共轭自感生透明；自聚焦、自相位调制、光学相位共轭l 1965年，年，Bloembergen等人出版等人出版Nonlinear Optical phenomena一书，基本建立了以非线性一书，基本建立了以非线性介质极化和耦合波方程组为基础的非线性光学理介质极化和耦合波方程组为基础的非线性光学理论论26ppt课件2 2）非线性光学研究全面深入的）非线性光学研究全面深入的2020年年（
13、1971-19901971-1990） l 发现新的非线性光学效应：发现新的非线性光学效应：四波混频、光克尔四波混频、光克尔l 展开各种非线性光学效应的应用研究：展开各种非线性光学效应的应用研究： 扩展激光波长的范围和发展各波段连续可调谐技术扩展激光波长的范围和发展各波段连续可调谐技术; 发展非线性光学共轭技术及应用发展非线性光学共轭技术及应用; 以光计算和光电子以光计算和光电子技术为应用背景，出现了各种光学双稳的方案和装技术为应用背景，出现了各种光学双稳的方案和装置。置。l 与材料研究紧密结合（与材料研究紧密结合（非线性光学晶体非线性光学晶体BBO, LBO/半导体超晶格半导体超晶格/量子阱
14、量子阱/有机聚合物）有机聚合物）l 1984年，沈元壤出版年，沈元壤出版The Principles of Nonlinear Optics一书一书27ppt课件3 3）非线性光学研究的未来发展趋势非线性光学研究的未来发展趋势研究对象从稳态过程转向动态；所用光源从连续、宽脉研究对象从稳态过程转向动态；所用光源从连续、宽脉冲转向纳秒、皮秒、飞秒甚至阿秒超短脉冲；从强光非冲转向纳秒、皮秒、飞秒甚至阿秒超短脉冲；从强光非线性研究到弱光非线性研究；从基态激发态跃迁非线线性研究到弱光非线性研究；从基态激发态跃迁非线性光学研究转向激发态更高激发态跃迁非线性光学研性光学研究转向激发态更高激发态跃迁非线性光学
15、研究；从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象；究；从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象；从二能级模型研究转向多能级模型；研究物质的尺度从从二能级模型研究转向多能级模型；研究物质的尺度从宏观尺度（衍射光学），到介观（纳米）尺度（近场光宏观尺度（衍射光学），到介观（纳米）尺度（近场光学），再到微观尺度（量子光学）。学），再到微观尺度（量子光学）。从晶体材料到非晶体材料；从无机材料到有机材料；从从晶体材料到非晶体材料；从无机材料到有机材料；从对称材料到非对称材料（手性材料）；从单一材料到复对称材料到非对称材料（手性材料）；从单一材料到复合材料；从高维材料到低维材料，如从三维的体块材料合材料
16、；从高维材料到低维材料，如从三维的体块材料到二维的表面、薄膜材料；从宏观材料到纳米材料，如到二维的表面、薄膜材料；从宏观材料到纳米材料，如半导体量子线和量子点、光子晶体以及纳米管、纳米球半导体量子线和量子点、光子晶体以及纳米管、纳米球和团簇材料。和团簇材料。28ppt课件针对掺Nd3+的 4F3/24I11/2 跃迁，发射波长在1060nm左右1+1=21 ，得到2倍频绿光 SHG1+21=31，得到3倍频紫外光 SHG+SFG=THG29ppt课件3. 3. 倍频激光器的结构倍频激光器的结构30ppt课件典型的二阶非线性效应 光学二次谐波（倍频），和频，差频，光参量振荡/放大 典型的三阶阶非
17、线性效应 光学三次谐波（直接三次谐波），光学克尔效应及自聚焦、自散焦，受激拉曼散射、受激布里渊散射、四波混频 瞬态相干光学效应 光学章动、光学回波和自感应透明等由短脉冲激光与介质相互作用产生的瞬态效应31ppt课件电子的贡献 电子云的畸变 电子能级布局数的改变 分子的振动与转动分子的重新取向与重新分布电致伸缩热效应32ppt课件33ppt课件非线性光学的应用价值和科学意义非线性光学的应用价值和科学意义1 1）提供了产生强相干光辐射并扩展其波段的新手段；）提供了产生强相干光辐射并扩展其波段的新手段；2 2）解决激光技术本身提出的一些课题；）解决激光技术本身提出的一些课题；5 5）是促进基础理论发
18、展的一种动力。）是促进基础理论发展的一种动力。3 3）提供了一批新方法和新技术；）提供了一批新方法和新技术；简并四波混频产生相位共轭波简并四波混频产生相位共轭波；采用非线性饱和吸收调；采用非线性饱和吸收调Q Q开关和锁模；采用开关和锁模；采用双光子吸收检测超短脉冲的脉宽；光学击穿用于触发快速火花隙电开关；采双光子吸收检测超短脉冲的脉宽；光学击穿用于触发快速火花隙电开关；采用强光自相位调制和自加宽效应产生超连续谱；采用自相位调制可用光纤中用强光自相位调制和自加宽效应产生超连续谱；采用自相位调制可用光纤中产生光孤子。产生光孤子。4 4）是认知和了解物质材料的一种重要手段；）是认知和了解物质材料的一
19、种重要手段；通过强光与物质相互作用的研究，可以获得有关物质的组成、结构、状态、通过强光与物质相互作用的研究，可以获得有关物质的组成、结构、状态、能量耦合和转移等材料内部的信息。它和材料研究紧密相关。能量耦合和转移等材料内部的信息。它和材料研究紧密相关。34ppt课件 for development of methods to cool and for development of methods to cool and trap atoms with laser lighttrap atoms with laser light19971997年诺贝尔物理奖得主年诺贝尔物理奖得主Steven C
20、hu, Claude Cohen-Tannoudji, Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. William D. PhillipsPhillips Stanford University Stanford University Stanford, CA, USAStanford, CA, USA Collge de France; cole Collge de France; cole Normale Suprieure Normale Suprieure Paris, France Paris, France National Ins
21、titute of National Institute of Standards and Technology Standards and Technology Gaithersburg, MD, USAGaithersburg, MD, USA 35ppt课件 Rings on the water Rings on the water Over a hundred research groups are now working on laser cooling. Many applications have been tried such as Bose-Einstein condensa
22、tion（2001诺贝尔物理学奖）诺贝尔物理学奖）, atom optics, atom interferometry, atom clocks, optical lattices, optical tweezers, atom lasers, high-resolution spectroscopy and fundamental investigations of the interaction between light and matter.Steven Chu “指挥原子跳舞的人指挥原子跳舞的人”36ppt课件 for the achievement of Bose-Einstein
23、 condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates20012001年诺贝尔物理奖得主年诺贝尔物理奖得主Eric A. Cornell Eric A. Cornell (USA) (USA) Wolfgang Ketterle Wolfgang Ketterle (Germany)(Germany)Carl E. WiemanCarl E. Wieman(USA)(USA) 杨振宁说：杨振宁说：”虽然朱等虽然朱等3
24、 3人没有做这种奇特的人没有做这种奇特的BECBEC现象，但却为现象，但却为BECBEC的工作铺了路。的工作铺了路。“激光激光冷却技术的发明直接导致了玻色冷却技术的发明直接导致了玻色- -爱因斯坦凝聚这一著名理论论断的实验验证爱因斯坦凝聚这一著名理论论断的实验验证, , 这成为这成为2020世世纪末物理学的重大突破之一。纪末物理学的重大突破之一。 37ppt课件20052005年诺贝尔物理奖得主年诺贝尔物理奖得主霍尔霍尔 (J.L. Hall) (J.L. Hall)、汉什、汉什 (T.W. Hnsch) (T.W. Hnsch)和葛劳柏（和葛劳柏（Roy J. GlauberRoy J. G
25、lauber）美国科学家约翰美国科学家约翰- -霍霍尔尔 德国科学家汉什德国科学家汉什 美国科学家美国科学家葛劳柏葛劳柏for his contribution to the quantum theory of optical coherence for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique 38ppt课件39ppt课件40ppt课件41ppt课件42ppt课件43ppt课件内部无阻力
26、（激光、超导）传播电子对波，形成宏观电流，无需电压原子几乎不动（原子钟）44ppt课件超流体氦：2.2K He原子BEC 液体流动无粘度超导体：电子对 BEC 无电阻激光：所有光子处于同一量子态激子：空穴电子对 Cu2O出现短寿命气态凝聚45ppt课件46ppt课件47ppt课件48ppt课件49ppt课件50ppt课件51ppt课件52ppt课件A collection of sodium atoms (yellow dot in middle of picture) trapped in a MOT（Magnetic-Optical Trap）.A A采用采用可调激光技术可调激光技术控制激
27、光频率控制激光频率B BOptical molassesIn the area where the six laser beams intersect, the atoms move slowly as in a sticky medium. 53ppt课件54ppt课件55ppt课件56ppt课件57ppt课件A collection of sodium atoms (yellow dot in middle of picture) trapped in a MOT（Magnetic-Optical Trap）.A A采用采用可调激光技术可调激光技术控制激光频率控制激光频率B BOptica
28、l molassesIn the area where the six laser beams intersect, the atoms move slowly as in a sticky medium. 58ppt课件 for development of methods to cool and for development of methods to cool and trap atoms with laser lighttrap atoms with laser light19971997年诺贝尔物理奖得主年诺贝尔物理奖得主Steven Chu, Claude Cohen-Tanno
29、udji, Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. William D. PhillipsPhillips Stanford University Stanford University Stanford, CA, USAStanford, CA, USA Collge de France; cole Collge de France; cole Normale Suprieure Normale Suprieure Paris, France Paris, France National Institute of National Ins
30、titute of Standards and Technology Standards and Technology Gaithersburg, MD, USAGaithersburg, MD, USA 59ppt课件60ppt课件61ppt课件62ppt课件63ppt课件64ppt课件65ppt课件66ppt课件67ppt课件68ppt课件69ppt课件70ppt课件71ppt课件72ppt课件73ppt课件20052005年诺贝尔物理奖得主年诺贝尔物理奖得主霍尔霍尔 (J.L. Hall) (J.L. Hall)、汉什、汉什 (T.W. Hnsch) (T.W. Hnsch)和葛劳柏（和
31、葛劳柏（Roy J. GlauberRoy J. Glauber）美国科学家约翰美国科学家约翰- -霍霍尔尔 德国科学家汉什德国科学家汉什 美国科学家美国科学家葛劳柏葛劳柏for his contribution to the quantum theory of optical coherence for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique 74ppt课件光梳测量光频的基本原理光梳测
32、量光频的基本原理光子晶体光子晶体75ppt课件76ppt课件飞秒激光光频梳精确测量光频的重要意义：飞秒激光光频梳精确测量光频的重要意义：1. 1. 解决了光谱学中需要测量光频（解决了光谱学中需要测量光频（10101414HzHz）的百）的百年难题；年难题；2. 2. 有利于发展精确计时的原子钟；有利于发展精确计时的原子钟；5. 5. 可以用于检测反物质（如反氢原子）与正物质可以用于检测反物质（如反氢原子）与正物质的光谱是否有差别；的光谱是否有差别；.3. 3. 有利于提高全球定位系统的精度；有利于提高全球定位系统的精度；4. 4. 精确测量光梳就有可能检测在空间各个方向精确测量光梳就有可能检测在空间各个方向上时间是否均匀，从而检测相对论；上时间是否均匀，从而检测相对论；77ppt课件
