非線性光學

央視國際 (2004年09月08日 10:12)

　　現代光學的一個分支，研究介質在強相干光作用下産生的非線性現象及其應用。激光問世之前，基本上是研究弱光束在介質中的傳播，確定介質光學性質的折射率或極化率是與光強無關的常量，介質的極化強度與光波的電場強度成正比，光波疊加時遵守線性疊加原理（見光的獨立傳播原理）。在上述條件下研究光學問題稱為線性光學。對很強的激光，例如當光波的電場強度可與原子內部的庫侖場相比擬時，光與介質的相互作用將産生非線性效應，反映介質性質的物理量（如極化強度等）不僅與場強E的一次方有關，而且還決定於E的更高冪次項，從而導致線性光學中不明顯的許多新現象。介質極化率P與場強的關係可寫成P＝α1E＋α2E2＋α3E3＋…非線性效應是E項及更高冪次項起作用的結果。

　　

常見非線性光學現象有：①光學整流。E2項的存在將引起介質的恒定極化項，産生恒定的極化電荷和相應的電勢差，電勢差與光強成正比而與頻率無關，類似于交流電經整流管整流後得到直流電壓。②産生高次諧波。弱光進入介質後頻率保持不變。強光進入介質後，由於介質的非線性效應，除原來的頻率ω外，還將出現2ω、3ω、……等的高次諧波。1961年美國的P.A.弗蘭肯和他的同事們首次在實驗上觀察到二次諧波。他們把紅寶石激光器發出的3千瓦紅色（6943埃）激光脈衝聚焦到石英晶片上，觀察到了波長為3471.5埃的紫外二次諧波。若把一塊鈮酸鋇鈉晶體放在1瓦、1.06微米波長的激光器腔內，可得到連續的1瓦二次諧波激光，波長為5323埃。非線性介質的這種倍頻效應在激光技術中有重要應用。③光學混頻。當兩束頻率為ω1和 ω2（ω1＞ω2）的激光同時射入介質時，如果只考慮極化強度P的二次項，將産生頻率為ω1＋ω2的和頻項和頻率為ω1－ω2的差頻項。利用光學混頻效應可製作光學參量振蕩器，這是一種可在很寬範圍內調諧的類似激光器的光源，可發射從紅外到紫外的相干輻射。④受激拉曼散射。普通光源産生的拉曼散射是自發拉曼散射，散射光是不相干的。當入射光采用很強的激光時，由於激光輻射與物質分子的強烈作用，使散射過程具有受激輻射的性質，稱受激拉曼散射。所産生的拉曼散射光具有很高的相干性，其強度也比自發拉曼散射光強得多。利用受激拉曼散射可獲得多種新波長的相干輻射，併為深入研究強光與物質相互作用的規律提供手段。⑤自聚焦。介質在強光作用下折射率將隨光強的增加而增大。激光束的強度具有高斯分佈，光強在中軸處最大，並向外圍遞減，於是激光束的軸線附近有較大的折射率，像凸透鏡一樣光束將向軸線自動會聚，直到光束達到一細絲極限（直徑約510-6米），並可在這細絲範圍內産生全反射，猶如光在光學纖維內傳播一樣。⑥光致透明。弱光下介質的吸收系數（見光的吸收）與光強無關，但對很強的激光，介質的吸收系數與光強有依賴關係，某些本來不透明的介質在強光作用下吸收系數會變為零。

　　研究非線性光學對激光技術、光譜學的發展以及物質結構分析等都有重要意義。常用的二階非線性光學晶體有磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氫銨（ADP）、磷酸二氘鉀(KD*P)、鈮酸鋇鈉等。此外還發現了許多三階非線性光學材料。

責編：常穎