非線性光學(xué)性質(zhì)、原理及應(yīng)用

非線性光學(xué)性質(zhì)的原理及應(yīng)用

nonlinearoptical(NLO)非線性光學(xué)研究背景滿足條件應(yīng)用產(chǎn)生原因一：非線性光學(xué)研究背景線性光學(xué)理論：光與物質(zhì)的線性相互作用，介質(zhì)的極化強(qiáng)度與入射光波的場(chǎng)強(qiáng)成正比。于是，表征物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的許多參數(shù)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的常量。普遍的光學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，單一頻率的光通過透明介質(zhì)后頻率不會(huì)發(fā)生任何變化，不同頻率的光之間不會(huì)發(fā)生相互耦合作用。非線性光學(xué)理論：激光出現(xiàn)后的短短的幾年內(nèi)，人們觀察到許多用過去的光學(xué)理論無(wú)法解釋的新效應(yīng)。為了解釋這些新效應(yīng)，產(chǎn)生了非線性光學(xué)理論。1961年，F(xiàn)ranken發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用波長(zhǎng)為6942?大功率紅寶石激光器照射石英晶體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)為3471?的弱的光信號(hào)。記：光電場(chǎng)為E（r，ω）；電極化強(qiáng)度為P（r，ω）1：普通光照射時(shí)，E（r，ω）和P（r，ω）成正比線性關(guān)系

這里，χ(1)線性極化率二：非線性光學(xué)產(chǎn)生的原因2：若入射光是激光，光強(qiáng)比普通光高幾個(gè)數(shù)量級(jí)極化強(qiáng)度為光場(chǎng)的冪級(jí)數(shù)χ(2)是二階非線性極化率由于非線性相的存在，破壞了光電場(chǎng)與電極化強(qiáng)度間線性關(guān)系。非線性電極化率要比線性極化率小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，普通光照射時(shí)，產(chǎn)生的非線性極化很小，Pnl很小，不影響線性關(guān)系。激光是極強(qiáng)的相干光,高度比普遍光高幾十億倍,場(chǎng)強(qiáng)高次方項(xiàng)對(duì)介質(zhì)極化的影響不能忽略。普通光源會(huì)不會(huì)產(chǎn)生非極化？幾種非線性光學(xué)現(xiàn)象

理想的供電系統(tǒng)，電流和電壓都是正弦波。在只含線性元件(電阻、電感及電容)的簡(jiǎn)單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。

在實(shí)際的供電系統(tǒng)中，由于有非線性負(fù)荷的存在，當(dāng)流過的負(fù)荷與所加電壓不呈線性關(guān)系時(shí)，就形成非正弦電流。

任何周期性波形均可分解為一個(gè)基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整倍數(shù)，例如基頻為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波則為150Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……可能直到第三十次諧波組成。非線性光學(xué)晶體光學(xué)二次諧波的產(chǎn)生

ω1

ω2=

2ω1線性光學(xué)與非線性光學(xué)的主要區(qū)別線性光學(xué)非線性光學(xué)入射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)之間一般成線性關(guān)系入射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)之間成非線性關(guān)系多束光在介質(zhì)中交叉?zhèn)鞑?，不發(fā)生能量交換，也不改變各自的頻率多束光在介質(zhì)中交叉?zhèn)鞑ィ赡馨l(fā)生能量交換光在介質(zhì)中傳播，通過干涉、衍射、折射改變光能量的空間分布和傳播方向，不改變光的頻率一定頻率的光入射介質(zhì)，可以通過與介質(zhì)相互作用各自的頻率或產(chǎn)生新頻率，光作用于介質(zhì)，不改變介質(zhì)的物理量，介質(zhì)的物理量與光場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)光與介質(zhì)相互作用，介質(zhì)的物理量如：極化率、吸收系數(shù)、折射率與光場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，成一定的函數(shù)關(guān)系三：非線性光學(xué)材料需具備哪些條件呢？1：較大的非線性極化率2：較大的激光損傷閾值（LDT-laserdamagethreshold），能承受較大的激光功率和能量3：有位相匹配能力4：優(yōu)良的機(jī)械化學(xué)穩(wěn)定性5：寬能帶間隙（largeenergybandgap）二次諧波轉(zhuǎn)化效率?：

Pi-波長(zhǎng)?i為光束的功率；deff-有效倍頻系數(shù)；ni-特定波長(zhǎng)?i的折射率；L-光程；A-激光基頻波的橫截面積；增大deff：deff/?2—有效非線性光學(xué)系數(shù)，其值越高，轉(zhuǎn)化效率?越大。增大Pi：功率增大，轉(zhuǎn)化率提高，但要能承受較大功率，材料需要較大的損傷閾值（LDT）。二次諧波:（second-harmonicgeneration-SHG）

較寬的能隙能獲得較高的損傷閾值（LDT）；同時(shí)寬能隙能獲得較短的二次諧波波長(zhǎng)，波長(zhǎng)越短，能量越高，從而提高轉(zhuǎn)化率。寬能帶間隙（largeenergybandgap）四：非線性光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用（1）

——界面性質(zhì)過去用電子束光譜測(cè)定界面性質(zhì)，要求有超高真空環(huán)境，而且對(duì)于“buried”interfaces無(wú)能為力，光源也無(wú)法穿過高壓介質(zhì)。一般情況，各向同性或中心對(duì)稱的介質(zhì)不能產(chǎn)生和頻和倍頻效應(yīng)，但有兩種情況能破壞這種中心對(duì)稱性，從而產(chǎn)生SFG或SHG信號(hào)響應(yīng)：（1）

兩種具有中心對(duì)稱性介質(zhì)的界面處；（2）被研究的分子吸附在具有中心對(duì)稱性的介質(zhì)表面。分子吸附在介質(zhì)表面時(shí)，產(chǎn)生SFG（和頻）信號(hào)，當(dāng)非線性分子離開界面時(shí)，SFG信號(hào)會(huì)消失。Ai和Mi分別指紅外和拉曼的轉(zhuǎn)移矩陣（在頻率ωi和譜線寬Γi時(shí)特定的振動(dòng)模式）N-吸附物質(zhì)在界面的吸附密度二階非線性響應(yīng)值與界面覆蓋程度成正比。SFG信號(hào)強(qiáng)度與非線性極化率的平方成正比。

紅外和拉曼技術(shù)不能區(qū)分溶液內(nèi)部和界面上的分子，難以分析物質(zhì)的表面性質(zhì)，而和頻可以做到。在金屬氧化物氧化鋯表面水和甲醇的競(jìng)爭(zhēng)吸附，溶液和固體都是各向同性材料，將水與甲醇配成一定比例，二者吸附在氧化鋯表面，用紅外可見激光照射。光譜圖上的峰值與甲醇的的表面濃度有關(guān)，含量不同，SFG響應(yīng)值也不同。峰值振幅的平方與表面濃度成正比，因此可以反應(yīng)甲醇界面濃度與總體濃度的關(guān)系。實(shí)例：四：非線性光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用（2）

——光存儲(chǔ)材料光折變效應(yīng)：非均勻光照射下，電光材料中的電子或空穴重新分布，引起材料折射率變化。破壞了相位匹配條件，稱為“光損傷”。（1）它可以通過均勻光照和加熱晶體的辦法得到恢復(fù)，這個(gè)特性正好可用于信息存儲(chǔ)。（2）光折變效應(yīng)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，很弱的激光束也能出現(xiàn)這種非線性效應(yīng)，折光率最大變化處不在光強(qiáng)的最大處，為弱光作用下的非線性光學(xué)開辟了新天地。參考文獻(xiàn)[1]錢士雄,王恭明.非線性光學(xué)-原理與進(jìn)展.復(fù)旦大學(xué)出版社.2001.10[2]石順祥,陳國(guó)夫，趙衛(wèi)等.非線性光學(xué).西安電子科技大學(xué)出.2012.10[3]李淳飛.非線性光學(xué).電子工業(yè)出版社.2009.08.[4]ZheshuaiLin,XingxingJiang1,LeiKang1,etal.First-principlesmaterialsapplicationsanddesignofnonlinearopticalcrystals.JournalofPhysicsD:AppliedPhysics.