非线性光学概要及光电子器件课件

第九章第九章非线性光学概要及光非线性光学概要及光电子器件电子器件一、光与物质相互作用的机理一、光与物质相互作用的机理 当光照射物质时，光波电磁场将对物质当光照射物质时，光波电磁场将对物质中的电子产生作用，在外电场的作用下，介中的电子产生作用，在外电场的作用下，介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波的质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡。电磁场的变化产生振荡。+原子的电极化：负电荷中心与正电荷原子的电极化：负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态。中心产生偏离的状态。若物质中的电子在外场作用下产生位移若物质中的电子在外场作用下产生位移 r，则每个电子产生一个电偶极矩则每个电子产生一个电偶极矩 p。若光波随时间作正弦变化，即它的电场若光波随时间作正弦变化，即它的电场强度沿两个相反方向交替变化，电偶极子的强度沿两个相反方向交替变化，电偶极子的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。表征电偶极子的物理量是电偶极矩。表征电偶极子的物理量是电偶极矩。若单位体积中有若单位体积中有N 个电偶极子，个电偶极子，N 个偶个偶极矩的矢量和为极化强度极矩的矢量和为极化强度P。线性光学线性光学：电偶极矩与外界电磁场成线：电偶极矩与外界电磁场成线性关系。性关系。当光与物质相互作用时，光场中的电场当光与物质相互作用时，光场中的电场强度使介质原子因感应而产生电偶极矩，强度使介质原子因感应而产生电偶极矩，电偶极矩叠加起来形成电极化强度。电极电偶极矩叠加起来形成电极化强度。电极化强度产生极化场，极化场发出次级辐射。化强度产生极化场，极化场发出次级辐射。若若E 以以作简谐变化，作简谐变化，P 及其产生的次及其产生的次级电磁辐射也以同样的级电磁辐射也以同样的作简谐变化，因作简谐变化，因两频率相同，次级辐射与入射光波叠加的两频率相同，次级辐射与入射光波叠加的结果使光波的单色性不变。结果使光波的单色性不变。当有几种不同频率的光波同时与该物质当有几种不同频率的光波同时与该物质相互作用时，各种频率的光都线性独立地相互作用时，各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射，不会发生新的频率。反射、折射和散射，不会发生新的频率。在线性光学中，物质对光场的响应与光在线性光学中，物质对光场的响应与光的场强成线性关系。的场强成线性关系。光的独立性原理和叠光的独立性原理和叠加原理都成立。加原理都成立。非线性光学：非线性光学：外界作用的光场较强，电外界作用的光场较强，电偶极子的振荡不再具有位移与外电场成线性偶极子的振荡不再具有位移与外电场成线性的关系，产生的电磁振荡是非线性的。的关系，产生的电磁振荡是非线性的。二、光的吸收二、光的吸收 光通过物质时，光波的电矢量使物质中的光通过物质时，光波的电矢量使物质中的带电粒子作受迫振动，一部分光能用来提供带电粒子作受迫振动，一部分光能用来提供振动所需能量。光的强度随穿入物质的深度振动所需能量。光的强度随穿入物质的深度而减少，光能被物质吸收后转变为热能。而减少，光能被物质吸收后转变为热能。光强为光强为I 的平行光束通过一无限薄层的平行光束通过一无限薄层dx时，时，强度减少了强度减少了d I，a 为吸收系数。为吸收系数。对上式进行积分，可求出在通过厚度为对上式进行积分，可求出在通过厚度为 l 的吸收层后的光强的吸收层后的光强 I。在介质中，当光的频率与电偶极子的固在介质中，当光的频率与电偶极子的固有频率一致时，发生共振现象，因而光能被有频率一致时，发生共振现象，因而光能被强烈地吸收，在其他情况下表现为透明。强烈地吸收，在其他情况下表现为透明。一般吸收（一般吸收（a 很大）很大）选择吸收（选择吸收（a 很小）很小）介质对光的吸收：介质对光的吸收：吸收光谱能反映材料特征。同一物质吸收光谱能反映材料特征。同一物质的发射光谱与吸收光谱有严格的对应关系。的发射光谱与吸收光谱有严格的对应关系。具有连续谱的光（白光）通过选择吸具有连续谱的光（白光）通过选择吸收介质后，用光谱仪可观察不同波长的光收介质后，用光谱仪可观察不同波长的光被吸收的谱线。被吸收的谱线。正常色散：在透明波段（一般吸收），折射正常色散：在透明波段（一般吸收），折射率随波长增加而减少。率随波长增加而减少。反常色散：在不透明波段（选择吸收），折反常色散：在不透明波段（选择吸收），折射率随波长增加而增加。射率随波长增加而增加。三、光的色散三、光的色散介质材料的折射率随波长而改变的现象。介质材料的折射率随波长而改变的现象。（1）色散与吸收）色散与吸收正常色散的经验公式（柯西公式）：正常色散的经验公式（柯西公式）：可见光可见光可见光可见光吸收带吸收带吸收带吸收带 n nP PQ QR R柯柯柯柯 西西西西 公公公公 式式式式S ST TO O 在可见光区域色散是正常的，曲线在可见光区域色散是正常的，曲线PQ 段段符合柯西公式，若向红外区域延伸，并接近符合柯西公式，若向红外区域延伸，并接近吸收带时，色散曲线发生偏离（吸收带时，色散曲线发生偏离（R点），过点），过了吸收带，曲线了吸收带，曲线ST 又恢复正常。又恢复正常。（2）色散与经典电磁理论）色散与经典电磁理论 光波在介质中的吸收和色散行为，可用光波在介质中的吸收和色散行为，可用光场使电偶极子产生振荡的理论来描述。光场使电偶极子产生振荡的理论来描述。介质材料的电极化率介质材料的电极化率x 决定了折射率决定了折射率N 的实部的实部 n 和虚部和虚部，从而研究介质的吸收从而研究介质的吸收（）和色散（和色散（n）的问题。的问题。入射光频率接近电偶极子的固有频率入射光频率接近电偶极子的固有频率时吸收很大，为反常色散。时吸收很大，为反常色散。四、光的散射四、光的散射 当光束通过光学性质不均匀介质时，除当光束通过光学性质不均匀介质时，除了按几何光学规律传播的光线外，其它方向了按几何光学规律传播的光线外，其它方向或多或少也有光线存在。或多或少也有光线存在。介质中各点所发射的次波是不相干叠加，介质中各点所发射的次波是不相干叠加，不会相消为零，从而形成了散射光。不会相消为零，从而形成了散射光。（1）瑞利散射）瑞利散射 散射粒子线度比波长小得多，散射光强散射粒子线度比波长小得多，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。散射光度与入射光波长的四次方成反比。散射光中短波占优势，白光散射时带青蓝色。中短波占优势，白光散射时带青蓝色。（2）拉曼散射）拉曼散射 在研究晶体和液体内的散射时，发现在研究晶体和液体内的散射时，发现一些微弱的与入射光频率不同的散射光。一些微弱的与入射光频率不同的散射光。入射光中的一部分能量被介质吸收，用入射光中的一部分能量被介质吸收，用来激励介质中分子的振动或转动的能量，来激励介质中分子的振动或转动的能量，从而使散射光的频率比入射光的低。从而使散射光的频率比入射光的低。若散射光的频率比入射光的高为反斯托若散射光的频率比入射光的高为反斯托克斯克斯-拉曼散射。这种非弹性散射的可能拉曼散射。这种非弹性散射的可能性比弹性散射小得多。入射与散射光的频性比弹性散射小得多。入射与散射光的频率差反映介质能级的能量差。率差反映介质能级的能量差。弹性散射弹性散射弹性散射弹性散射hh0 0hh0 0 0 0hh0 0hh0 0 0 0h h（0 0 ）h h（0 0 ）0 0 0 0 非弹性散射非弹性散射非弹性散射非弹性散射 受激散射：当以强光入射时，可使某些介质的受激散射：当以强光入射时，可使某些介质的散射过程具有受激发射的性质，散射光突然变强。散射过程具有受激发射的性质，散射光突然变强。（3）布里渊散射）布里渊散射 光通过由热激发产生声波的介质时，散光通过由热激发产生声波的介质时，散射光中除包含入射光频外，其两侧还有频射光中除包含入射光频外，其两侧还有频移线（布里渊双重线）。移线（布里渊双重线）。晶体中的声波参与了能量的交换，可用晶体中的声波参与了能量的交换，可用被相对运动物体产生频移的多普勒频移理被相对运动物体产生频移的多普勒频移理论解释。论解释。生物组织是高散射物质，用光学方法显现生物组织是高散射物质，用光学方法显现介质内部的物体是生物医学的热门课题。介质内部的物体是生物医学的热门课题。蛇形光层析、时间门成像术、电子全息术蛇形光层析、时间门成像术、电子全息术五、光学中的非线性现象五、光学中的非线性现象 被动介质被动介质在与强光与被动介质相互作在与强光与被动介质相互作用时，它的性质如同化学反应中的催化剂，用时，它的性质如同化学反应中的催化剂，它本身的固有频率并不明显起作用。如光它本身的固有频率并不明显起作用。如光整流、光学谐波、光混频和光自聚焦等。整流、光学谐波、光混频和光自聚焦等。激活介质激活介质在与强光与被动介质相互作用在与强光与被动介质相互作用时，它能以自己的固有频率去影响与它相时，它能以自己的固有频率去影响与它相互作用的光波，这类相互作用是一些受激互作用的光波，这类相互作用是一些受激散射过程如受激拉曼散射、受激布里渊散散射过程如受激拉曼散射、受激布里渊散射等。射等。激光具有能显示介质非线性所需的高强度激光具有能显示介质非线性所需的高强度辐射场。辐射场。（1）激光倍频技术）激光倍频技术 当入射到介质中的光波当入射到介质中的光波 E=E0 cost 很强很强时，强光将在晶体中感生电极化强度时，强光将在晶体中感生电极化强度P 电极化强度中除有频率为零的直流成分电极化强度中除有频率为零的直流成分外，还有频率为外，还有频率为的基频成分以及频率为的基频成分以及频率为2的倍频成分（二次谐波信号）。的倍频成分（二次谐波信号）。22 22 非线性晶体非线性晶体非线性晶体非线性晶体滤光片滤光片滤光片滤光片光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管激光激光激光激光 匹配角匹配角：入射激光和非线性晶体光轴之间的夹角入射激光和非线性晶体光轴之间的夹角 基频激光在非线性晶体中产生倍频极化基频激光在非线性晶体中产生倍频极化波，倍频极化波在一定厚度的晶体中一边波，倍频极化波在一定厚度的晶体中一边前进，一边产生倍频次波辐射。倍频次波前进，一边产生倍频次波辐射。倍频次波辐射与倍频极化波相位相差辐射与倍频极化波相位相差/2，它们叠加它们叠加的结果形成最后出射的倍频光。的结果形成最后出射的倍频光。当当满足相位匹配时，许多倍频次波辐满足相位匹配时，许多倍频次波辐射就因干涉相长而得到最强的倍频光，反射就因干涉相长而得到最强的倍频光，反之，不满足相位匹配时，倍频次波辐射就之，不满足相位匹配时，倍频次波辐射就因干涉相消而使倍频光为零。因干涉相消而使倍频光为零。相位匹配相位匹配 两个频率为两个频率为的光子与某些物质相互作的光子与某些物质相互作用，可产生一个频率为用，可产生一个频率为2的光子。的光子。二次谐波二次谐波（2）光混频现象）光混频现象 当一束强光和一束弱光同时进入非线性介当一束强光和一束弱光同时进入非线性介质时，可形成三波混频效应，产生和频与差质时，可形成三波混频效应，产生和频与差频。频。当入射光波为两种不同频率的光当入射光波为两种不同频率的光 E=E01 cost+E02 cost 时时，电极化强度，电极化强度P 的二次的二次项为项为 上式各项中，除了有零频项（直流项）上式各项中，除了有零频项（直流项）和倍频项外，还有和频项以及差频项。这些和倍频项外，还有和频项以及差频项。这些极化波再辐射，产生相应的零频光、倍频光极化波再辐射，产生相应的零频光、倍频光和频光、差频光。和频光、差频光。四波混频将调谐相干光源的频率扩展到四波混频将调谐相干光源的频率扩展到红外和紫外，可获得入射光波之共轭光波。红外和紫外，可获得入射光波之共轭光波。（3）光学双稳态）光学双稳态 光学双稳是指一个输入光强存在着两个光学双稳是指一个输入光强存在着两个可以相互转换的稳定输出光强状态，其输入可以相互转换的稳定输出光强状态，其输入输出光强关系类似磁滞回线。输出光强关系类似磁滞回线。I Ii iI I0 0C CD DB BA AO OI Ii iI I0 0O OB与与C点是同一输入光强下两个不同的输出光强状态。点是同一输入光强下两个不同的输出光强状态。双稳态是一种反转触发器件。光学双稳双稳态是一种反转触发器件。光学双稳态用光脉冲作为触发源以启动并选择两种光态用光脉冲作为触发源以启动并选择两种光强状态。强状态。I Ii iI I0 0T T（I I0 0 ）在在 F-P 干涉仪的两反射平面的中间放入非干涉仪的两反射平面的中间放入非线性介质，并使线性介质，并使 F-P 干涉仪中的一部分输出干涉仪中的一部分输出光波反馈到非线性介质上，以改变其折射率光波反馈到非线性介质上，以改变其折射率从而改变相位和所输出的单色光波的光强。从而改变相位和所输出的单色光波的光强。光数字计算机的核心元件是光学双稳态光数字计算机的核心元件是光学双稳态器件，如光放大器、光开关。器件，如光放大器、光开关。六、光电子学器件六、光电子学器件（1）光电探测器）光电探测器 利用物质吸收光辐射能量后其电学性质利用物质吸收光辐射能量后其电学性质发生改变来对辐射能流进行检测的器件。发生改变来对辐射能流进行检测的器件。光电效应的机理是入射的光子被探测器光电效应的机理是入射的光子被探测器吸收导致内部微观体系能量的变化。特点吸收导致内部微观体系能量的变化。特点是对光辐射的波长响应有选择，且响应速是对光辐射的波长响应有选择，且响应速度可以很快。度可以很快。外光电效应器件必须将光敏材料放在真外光电效应器件必须将光敏材料放在真空容器中，为光电管或空容器中，为光电管或光电倍增管光电倍增管。外光电效应是光照使光敏材料中的电子外光电效应是光照使光敏材料中的电子逸出表面而成为自由电子，即发射电子。逸出表面而成为自由电子，即发射电子。内光电效应是光辐射使半导体材料中产生内光电效应是光辐射使半导体材料中产生新的载流子而改变其电导率。新的载流子而改变其电导率。光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管AKeh微通道板微通道板 当光阴极平板受到一幅图象的照射时，各当光阴极平板受到一幅图象的照射时，各点上发射出强弱不同的光电子流，它们通入点上发射出强弱不同的光电子流，它们通入到相应的毛细管微通道中而获得电子的倍增，到相应的毛细管微通道中而获得电子的倍增，这些出射电子轰击荧光板而发光，从而获得这些出射电子轰击荧光板而发光，从而获得一个增强的光学图象。一个增强的光学图象。（2）光调制器）光调制器 利用光和物质相互作用所产生的效应来利用光和物质相互作用所产生的效应来控制光波的强度或相位的器件。控制光波的强度或相位的器件。电光调制器：电场控制电光调制器：电场控制（克尔效应或泡克耳斯效应）（克尔效应或泡克耳斯效应）磁光调制器（磁光效应）磁光调制器（磁光效应）声光调制器：用超声信号驱动声光调制器：用超声信号驱动时间调制器时间调制器幅度大而有规律的光方向时间调制器可作光扫描器幅度大而有规律的光方向时间调制器可作光扫描器 幅度大而速度快的光强时间调制幅度大而速度快的光强时间调制器可作光开关器可作光开关 空间调制器：光强、偏振态或相位等随空间各点空间调制器：光强、偏振态或相位等随空间各点而变化，进行调制，可产生光强的某种空间分布。而变化，进行调制，可产生光强的某种空间分布。空间调制器特点：增强输入图象，将非相空间调制器特点：增强输入图象，将非相干光图象转换为相干光图象。干光图象转换为相干光图象。x xy y4545偏振片偏振片偏振片偏振片反射镜反射镜反射镜反射镜液晶显示原理液晶显示原理液晶显示原理液晶显示原理读出光输入读出光输入偏振分光棱镜偏振分光棱镜调制光输出调制光输出写入光写入光B C D E FAA B 导电膜导电膜C 液晶层液晶层D 介质反射镜介质反射镜 E 光光阻挡层阻挡层F 光电导层光电导层液晶光阀液晶光阀液晶光阀液晶光阀