浅谈非线性光学的发展及应用

陈亮

摘 要：非线性光学是现代光学的一个分支，人们普遍认为最早的非线性光学现象是1961 年被Franken 等人在 Michigen 大学观察到的。随着激光的出现，非线性光学现象有了更多更快的发展。非线性光学从理论上丰富了人们对光与物质相互作用的认识，也已经在技术及研究领域得到广泛的实际应用。

关键词：非线性光学；发展；应用

美籍华人学者、非线性光学专家沈元壤先生用这样一句话来叙述非线性光学：“混沌初开，世界就是非线性的。线性化简化了复杂的世界，把世界线性化損失了许多有趣的现象 ，而非线性现象是世界进展的因素”。

非线性光学是现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下出现的与介质的非线性极化相联系的各种光学效应，以及如何利用这些效应的学科。

过去的光学理论认为，介质的极化强度与入射光波的场强成正比。于是，表征物质光学性质的许多参数，如折射率、吸收系数等都是与光强无关的常量。普遍的光学实验证实，单一频率的光通过透明介质后频率不会发生任何变化，不同频率的光之间不会发生相互耦合作用。激光出现后的短短的几年内，人们观察到许多用过去的光学理论无法解释的新效应。为了解释这些新效应，产生了非线性光学理论。

非线性光学不仅从理论上丰富了人们对光与物质相互作用的认识，而且已经得到广泛的实际应用。非线性光学的研究在激光技术、光通信、信息和图像的处理与存储、光计算等方面有着重要的应用 ，具有重大的应用价值和深远的科学意义。例如，光倍频、光参量振荡、受激喇曼散射已成为产生新频率相干辐射的一种有效方法；利用非线性饱和吸收已制成染料Q开关和被动锁模元件。此外，它在激光光谱学、同位素分离、光控化学反应、核聚变、集成光学、信息光学、光学计算机等方面都有重要的作用。

人们一般认为最早的非线性光学现象是1961 年被Franken 等人在 Michigen 大学观察到的。随后，又发现了许多非线性光学的现象：如包括上述光倍频现象在内的、不同频率的光波之间可以产生能量交换，因而引起频率转换的各种混频现象；物质的折射率和吸收系数等光学参量与入射光强有关，因而可产生光束的自聚焦、自散焦、自相位调 制 、自感应透明等一系列自作用；使各种散射过程转变为相应的受激光散射，如受激拉曼散射、受激布里渊散射。激光出现后 ， 10 9 W/ cm 2 以上的光强可对应 10 6 V/ cm 的光电场，使得电极化的高次项不能忽略。当时将非线性光学称为强光光学，并把这种影响一直延续到现在。非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。激光的出现为人们提供了强度高和相干性好的光束。而这样的光束正是发现各种非线性光学效应所必需的。

激光作为一种强光光源，其电场强度可以达到或超过介质分子、原子内部的电场强度。在这种强光场的作用下，介质分子、原子的状态发生改变，使介质对光场呈现出了非线性响应，因而，表现出各种非线性光学现象。

常见非线性光学现象有：

一、光学整流

E2项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的极化电荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关，类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。

二、产生高次谐波

弱光进入介质后频率保持不变。强光进入介质后，由于介质的非线性效应，除原来的频率ω外，还将出现2ω、3ω、……等的高次谐波。

三、光学混频

当两束频率为ω1和 ω2（ω1>ω2）的激光同时射入介质时，如果只考虑极化强度P的二次项，将产生频率为ω1+ω2的和频项和频率为ω1-ω2的差频项。利用光学混频效应可制作光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可发射从红外到紫外的相干辐射。

四、受激拉曼散射

普通光源产生的拉曼散射是自发拉曼散射，散射光是不相干的。当入射光采用很强的激光时，由于激光辐射与物质分子的强烈作用，使散射过程具有受激辐射的性质，称受激拉曼散射。所产生的拉曼散射光具有很高的相干性，其强度也比自发拉曼散射光强得多。利用受激拉曼散射可获得多种新波长的相干辐射，并为深入研究强光与物质相互作用的规律提供手段。

五、自聚焦

介质在强光作用下折射率将随光强的增加而增大。激光束的强度具有高斯分布，光强在中轴处最大，并向外围递减，于是激光束的轴线附近有较大的折射率，像凸透镜一样光束将向轴线自动会聚，直到光束达到一细丝极限（直径约5×10-6米），并可在这细丝范围内产生全反射，犹如光在光学纤维内传播一样。

六、光致透明

弱光下介质的吸收系数（见光的吸收）与光强无关，但对很强的激光，介质的吸收系数与光强有依赖关系，某些本来不透明的介质在强光作用下吸收系数会变为零。

目前在非线性光学的研究热点包括：研究及寻找新的非线性光学材料例如有机高分子或有机晶体等。常用的二阶非线性光学晶体有磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氢铵（ADP）、磷酸二氘钾（KD*P）、铌酸钡钠等。此外还发现了许多三阶非线性光学材料。

从技术领域到研究领域，非线性光学的应用都是十分广泛的。例如，利用各种非线性晶体做成电光开关和实现激光的调制。利用二次及三次谐波的产生、二阶及三阶光学和频与差频实现激光频率的转换，获得短至紫外、真空紫外，长至远红外的各种激光；同时，可通过实现红外频率的上转换来克服目前在红外接收方面的困难。利用光学参量振荡实现激光频率的调谐。目前，与倍频、混频技术相结合已可实现从中红外一直到真空紫外宽广范围内调谐。利用一些非线性光学效应中输出光束所具有的位相共轭特征，进行光学信息处理、改善成像质量和光束质量。利用折射率随光强变化的性质做成非线性标准具和各种双稳器件。利用各种非线性光学效应，特别是共振非线性光学效应及各种瞬态相干光学效应，研究物质的高激发态及高分辨率光谱以及物质内部能量和激发的转移过程及其他弛豫过程等。

非线性光学不仅是强光光学。在低功率激光、非相干光作用下 ，仍存在丰富多彩的非线性光学现象。

非线性光学是现代光学的前沿知识，随着超快激光器的飞速发展使得利用超快脉冲进行非线性光学的研究得到重大推进。对非线性光学的了解必将促进其在更大范围内的应用。

参考文献：

[1] 张粉英 张勇.非线性光学效应及其应用.物理与工程.2004.02期

[2] 张静江 宋淑梅.非线性光学与光学教学.大学物理.1999.05

[3] 孟磊 曹惠贤 张静江.光生伏打效应与光折变光栅的建立.中国激光.1997 .24