淺談非線性光學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用

陳亮

摘 要：非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)分支，人們普遍認(rèn)為最早的非線性光學(xué)現(xiàn)象是1961 年被Franken 等人在 Michigen 大學(xué)觀察到的。隨著激光的出現(xiàn)，非線性光學(xué)現(xiàn)象有了更多更快的發(fā)展。非線性光學(xué)從理論上豐富了人們對(duì)光與物質(zhì)相互作用的認(rèn)識(shí)，也已經(jīng)在技術(shù)及研究領(lǐng)域得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：非線性光學(xué)；發(fā)展；應(yīng)用

美籍華人學(xué)者、非線性光學(xué)專家沈元壤先生用這樣一句話來敘述非線性光學(xué)：“混沌初開，世界就是非線性的。線性化簡化了復(fù)雜的世界，把世界線性化損失了許多有趣的現(xiàn)象 ，而非線性現(xiàn)象是世界進(jìn)展的因素”。

非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)分支，研究介質(zhì)在強(qiáng)相干光作用下出現(xiàn)的與介質(zhì)的非線性極化相聯(lián)系的各種光學(xué)效應(yīng)，以及如何利用這些效應(yīng)的學(xué)科。

過去的光學(xué)理論認(rèn)為，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)，如折射率、吸收系數(shù)等都是與光強(qiáng)無關(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。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。

非線性光學(xué)不僅從理論上豐富了人們對(duì)光與物質(zhì)相互作用的認(rèn)識(shí)，而且已經(jīng)得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用。非線性光學(xué)的研究在激光技術(shù)、光通信、信息和圖像的處理與存儲(chǔ)、光計(jì)算等方面有著重要的應(yīng)用 ，具有重大的應(yīng)用價(jià)值和深遠(yuǎn)的科學(xué)意義。例如，光倍頻、光參量振蕩、受激喇曼散射已成為產(chǎn)生新頻率相干輻射的一種有效方法；利用非線性飽和吸收已制成染料Q開關(guān)和被動(dòng)鎖模元件。此外，它在激光光譜學(xué)、同位素分離、光控化學(xué)反應(yīng)、核聚變、集成光學(xué)、信息光學(xué)、光學(xué)計(jì)算機(jī)等方面都有重要的作用。

人們一般認(rèn)為最早的非線性光學(xué)現(xiàn)象是1961 年被Franken 等人在 Michigen 大學(xué)觀察到的。隨后，又發(fā)現(xiàn)了許多非線性光學(xué)的現(xiàn)象：如包括上述光倍頻現(xiàn)象在內(nèi)的、不同頻率的光波之間可以產(chǎn)生能量交換，因而引起頻率轉(zhuǎn)換的各種混頻現(xiàn)象；物質(zhì)的折射率和吸收系數(shù)等光學(xué)參量與入射光強(qiáng)有關(guān)，因而可產(chǎn)生光束的自聚焦、自散焦、自相位調(diào) 制 、自感應(yīng)透明等一系列自作用；使各種散射過程轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的受激光散射，如受激拉曼散射、受激布里淵散射。激光出現(xiàn)后 ， 10 9 W/ cm 2 以上的光強(qiáng)可對(duì)應(yīng) 10 6 V/ cm 的光電場(chǎng)，使得電極化的高次項(xiàng)不能忽略。當(dāng)時(shí)將非線性光學(xué)稱為強(qiáng)光光學(xué)，并把這種影響一直延續(xù)到現(xiàn)在。非線性光學(xué)發(fā)展成為今天這樣一門重要學(xué)科，應(yīng)該說是從激光出現(xiàn)后才開始的。激光的出現(xiàn)為人們提供了強(qiáng)度高和相干性好的光束。而這樣的光束正是發(fā)現(xiàn)各種非線性光學(xué)效應(yīng)所必需的。

激光作為一種強(qiáng)光光源，其電場(chǎng)強(qiáng)度可以達(dá)到或超過介質(zhì)分子、原子內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度。在這種強(qiáng)光場(chǎng)的作用下，介質(zhì)分子、原子的狀態(tài)發(fā)生改變，使介質(zhì)對(duì)光場(chǎng)呈現(xiàn)出了非線性響應(yīng)，因而，表現(xiàn)出各種非線性光學(xué)現(xiàn)象。

常見非線性光學(xué)現(xiàn)象有：

一、光學(xué)整流

E2項(xiàng)的存在將引起介質(zhì)的恒定極化項(xiàng)，產(chǎn)生恒定的極化電荷和相應(yīng)的電勢(shì)差，電勢(shì)差與光強(qiáng)成正比而與頻率無關(guān)，類似于交流電經(jīng)整流管整流后得到直流電壓。

二、產(chǎn)生高次諧波

弱光進(jìn)入介質(zhì)后頻率保持不變。強(qiáng)光進(jìn)入介質(zhì)后，由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)，除原來的頻率ω外，還將出現(xiàn)2ω、3ω、……等的高次諧波。

三、光學(xué)混頻

當(dāng)兩束頻率為ω1和 ω2（ω1>ω2）的激光同時(shí)射入介質(zhì)時(shí)，如果只考慮極化強(qiáng)度P的二次項(xiàng)，將產(chǎn)生頻率為ω1+ω2的和頻項(xiàng)和頻率為ω1-ω2的差頻項(xiàng)。利用光學(xué)混頻效應(yīng)可制作光學(xué)參量振蕩器，這是一種可在很寬范圍內(nèi)調(diào)諧的類似激光器的光源，可發(fā)射從紅外到紫外的相干輻射。

四、受激拉曼散射

普通光源產(chǎn)生的拉曼散射是自發(fā)拉曼散射，散射光是不相干的。當(dāng)入射光采用很強(qiáng)的激光時(shí)，由于激光輻射與物質(zhì)分子的強(qiáng)烈作用，使散射過程具有受激輻射的性質(zhì)，稱受激拉曼散射。所產(chǎn)生的拉曼散射光具有很高的相干性，其強(qiáng)度也比自發(fā)拉曼散射光強(qiáng)得多。利用受激拉曼散射可獲得多種新波長的相干輻射，并為深入研究強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律提供手段。

五、自聚焦

介質(zhì)在強(qiáng)光作用下折射率將隨光強(qiáng)的增加而增大。激光束的強(qiáng)度具有高斯分布，光強(qiáng)在中軸處最大，并向外圍遞減，于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(dòng)會(huì)聚，直到光束達(dá)到一細(xì)絲極限（直徑約5×10-6米），并可在這細(xì)絲范圍內(nèi)產(chǎn)生全反射，猶如光在光學(xué)纖維內(nèi)傳播一樣。

六、光致透明

弱光下介質(zhì)的吸收系數(shù)（見光的吸收）與光強(qiáng)無關(guān)，但對(duì)很強(qiáng)的激光，介質(zhì)的吸收系數(shù)與光強(qiáng)有依賴關(guān)系，某些本來不透明的介質(zhì)在強(qiáng)光作用下吸收系數(shù)會(huì)變?yōu)榱恪?/p>

目前在非線性光學(xué)的研究熱點(diǎn)包括：研究及尋找新的非線性光學(xué)材料例如有機(jī)高分子或有機(jī)晶體等。常用的二階非線性光學(xué)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(fā)現(xiàn)了許多三階非線性光學(xué)材料。

從技術(shù)領(lǐng)域到研究領(lǐng)域，非線性光學(xué)的應(yīng)用都是十分廣泛的。例如，利用各種非線性晶體做成電光開關(guān)和實(shí)現(xiàn)激光的調(diào)制。利用二次及三次諧波的產(chǎn)生、二階及三階光學(xué)和頻與差頻實(shí)現(xiàn)激光頻率的轉(zhuǎn)換，獲得短至紫外、真空紫外，長至遠(yuǎn)紅外的各種激光；同時(shí)，可通過實(shí)現(xiàn)紅外頻率的上轉(zhuǎn)換來克服目前在紅外接收方面的困難。利用光學(xué)參量振蕩實(shí)現(xiàn)激光頻率的調(diào)諧。目前，與倍頻、混頻技術(shù)相結(jié)合已可實(shí)現(xiàn)從中紅外一直到真空紫外寬廣范圍內(nèi)調(diào)諧。利用一些非線性光學(xué)效應(yīng)中輸出光束所具有的位相共軛特征，進(jìn)行光學(xué)信息處理、改善成像質(zhì)量和光束質(zhì)量。利用折射率隨光強(qiáng)變化的性質(zhì)做成非線性標(biāo)準(zhǔn)具和各種雙穩(wěn)器件。利用各種非線性光學(xué)效應(yīng)，特別是共振非線性光學(xué)效應(yīng)及各種瞬態(tài)相干光學(xué)效應(yīng)，研究物質(zhì)的高激發(fā)態(tài)及高分辨率光譜以及物質(zhì)內(nèi)部能量和激發(fā)的轉(zhuǎn)移過程及其他弛豫過程等。

非線性光學(xué)不僅是強(qiáng)光光學(xué)。在低功率激光、非相干光作用下 ，仍存在豐富多彩的非線性光學(xué)現(xiàn)象。

非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的前沿知識(shí)，隨著超快激光器的飛速發(fā)展使得利用超快脈沖進(jìn)行非線性光學(xué)的研究得到重大推進(jìn)。對(duì)非線性光學(xué)的了解必將促進(jìn)其在更大范圍內(nèi)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張粉英 張勇.非線性光學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用.物理與工程.2004.02期

[2] 張靜江 宋淑梅.非線性光學(xué)與光學(xué)教學(xué).大學(xué)物理.1999.05

[3] 孟磊 曹惠賢 張靜江.光生伏打效應(yīng)與光折變光柵的建立.中國激光.1997 .24