非線性光學(xué)在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

趙坡

摘 要：非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的一個分支，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光與物質(zhì)相互作用的認(rèn)識，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。文章對非線性光學(xué)的相關(guān)概念進(jìn)行了介紹，探討了非線性光學(xué)在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：非線性光學(xué);發(fā)展;教學(xué)

引言

非線性光學(xué)誕生于20世紀(jì)60年代激光出現(xiàn)以后。激光作為一種強(qiáng)光光源，其電場強(qiáng)度可以達(dá)到或超過介質(zhì)分子、原子內(nèi)部的電場強(qiáng)度。在這種強(qiáng)光場的作用下，介質(zhì)分子、原子的狀態(tài)發(fā)生改變，使介質(zhì)對光場呈現(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。隨著對非線性光學(xué)研究的深入， 在各類光學(xué)教科書中開始介紹非線性光學(xué)，但有些教材在介紹非線性光學(xué)時只見大量的數(shù)學(xué)公式，繁復(fù)的張量運(yùn)算，沒有強(qiáng)調(diào)基本概念和淺顯的物理圖像，初學(xué)者覺得較難接受。因此，在光學(xué)教學(xué)中，尤其在面向大學(xué)新生開設(shè)的普通物理光學(xué)基礎(chǔ)課教學(xué)中，需要把非線性光學(xué)中一些最基本的、重要的原理和概念定性和半定量地介紹給學(xué)生，多介紹一些非線性光學(xué)應(yīng)用中的最新成果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.非線性光學(xué)概述

非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的一個分支，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)后頻率不會發(fā)生任何變化，不同頻率的光之間不會發(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光與物質(zhì)相互作用的認(rèn)識，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、光計(jì)算等方面有著重要的應(yīng)用 ，具有重大的應(yīng)用價值和深遠(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。

常見非線性光學(xué)現(xiàn)象有：

1.1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)的電勢差，電勢差與光強(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。

1.2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。

1.3光學(xué)混頻

當(dāng)兩束頻率為ω1和 ω2（ω1>ω2）的激光同時射入介質(zhì)時，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。

1.4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，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。

1.5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會聚，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。

1.6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，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。

2.非線性光學(xué)在光學(xué)教學(xué)中的建議

進(jìn)入21世紀(jì)，光學(xué)已成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最活躍的學(xué)科之一，但目前高等學(xué)?；A(chǔ)物理學(xué)的光學(xué)教學(xué)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于飛速發(fā)展的形勢[6]，光學(xué)教材的內(nèi)容基本上是以經(jīng)典光學(xué)知識為主，引入現(xiàn)代光學(xué)知識較少，非線性光學(xué)的引入也是只做簡單的介紹或者給出復(fù)雜的公式推導(dǎo)，學(xué)生很難有個整體的把握。因此，在光學(xué)教學(xué)中，要適當(dāng)處理好經(jīng)典光學(xué)理論與現(xiàn)代光學(xué)科技知識的關(guān)系，做到既強(qiáng)化基礎(chǔ)理論和基本技能的訓(xùn)練，又要使學(xué)生較多地了解現(xiàn)代光學(xué)前沿課題，對于非線性光學(xué)的知識，可以較淺顯地介紹其原理，多介紹發(fā)展歷程和其中產(chǎn)生的一些有趣的物理現(xiàn)象和研究課題，從而達(dá)到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識和以后的科研創(chuàng)新能力，使光學(xué)教學(xué)緊跟現(xiàn)代科技發(fā)展的步伐，為國家培養(yǎng)更多的具有較高素質(zhì)的科技人才。

結(jié)論

非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的前沿知識，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)。在普通物理光學(xué)的教學(xué)中，教師應(yīng)該適當(dāng)增加非線性光學(xué)知識的介紹，通過介紹非線性光學(xué)的原理以及發(fā)展歷程，使學(xué)生對這個領(lǐng)域有一個整體的把握，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，切忌太深入太枯燥或者太浮淺。本文通過簡要介紹非線性光學(xué)的原理以及其發(fā)展過程，給出了非線性光學(xué)在光學(xué)教學(xué)中的一點(diǎn)建議，期望對初學(xué)者以及教育工作者有指導(dǎo)作用。

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