非線性光學在光學教學中的應用

摘 要：非線性光學是現代光學的重要組成部分，隨著超快激光器的飛速發展該研究得到了重大推進，成為光學中的重要分支，在普通物理的光學教學中引入非線性光學是非常有必要的。文章通過介紹非線性光學的原理及其發展歷程，給出了非線性光學在光學教學中的一點建議，期望對初學者以及教育工作者有指導作用。

關鍵詞：非線性光學；激光；光學教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1002—7661（2012）20—009—02

一、引言

非線性光學誕生于20世紀60年代激光出現以后[1]。激光作為一種強光光源，其電場強度可以達到或超過介質分子、原子內部的電場強度。在這種強光場的作用下，介質分子、原子的狀態發生改變，使介質對光場呈現出了非線性響應，因而，表現出各種非線性光學現象[2]。隨著對非線性光學研究的深入， 在各類光學教科書中開始介紹非線性光學，但有些教材在介紹非線性光學時只見大量的數學公式，繁復的張量運算，沒有強調基本概念和淺顯的物理圖像，初學者覺得較難接受。因此，在光學教學中，尤其在面向大學新生開設的普通物理光學基礎課教學中，需要把非線性光學中一些最基本的、重要的原理和概念定性和半定量地介紹給學生，多介紹一些非線性光學應用中的最新成果，激發學生的學習興趣。

二、非線性光學在光學教學中的應用

1、非線性光學介紹

當光在介質中傳播時，介質中的原子或分子被光電場極化成振蕩偶極子，它們也成為電磁波輻射源，發出次級波。介質的電極化強度P與入射光的場強E成冪級數關系[3]：

其中：

P（1）= 為線性電極化強度，對應著經典光學現象。

為二階非線性極化強度。

為三階非線性極化強度，依次類推。

在高強度的激光的作用下，由于光的電場強度極大，非線性項的作用就不能忽略，如二次項產生倍頻光，便可以實際觀測到。這些與強激光有關的效應，稱為非線性光學效應，具有非線性光學效應的介質稱為非線性光學材料。非線性光學頻率轉換效應包括倍頻、和頻以及差頻等方面，用于拓寬激光波長的范圍。

物質是由分子構成的，分子是一個帶電體系，分子中的每個電荷都可想象成集中于一點，即“電荷的重心”。如果分子的正負電荷重心是重合的，則稱此類分子為非極性分子；反之，稱極性分子。極性分子在外場作用E下將發生極化，這是分子取向和變形的結果。各種無機晶體等電介質，在外電場的作用下表面或內部也會出現電荷，發生極化現象。同樣，光是一種頻率很高的電磁波，當它通過透明介質時將引起介質中原子（分子）的極化。由于光波場是交變的電磁場，故原子（分子）的極化也是交變的，從而形成極化波，并由極化波發射同頻率的次級電磁波，其極化強度同入射光波場的強度、介質的結構密切相關。這種相互關系產生了兩種本質不同的介質極化狀態，即線性極化和非線性極化。物質在弱光電場（比原子核和電子之間的電場弱得多）作用下，只能產生線性極化，由振蕩偶極子產生與光波電場頻率相同的極化波，從而輻射同頻率的次級電磁波。其表觀特征為不同單色平面波服從獨立傳播原理；當它們在介質中相遇時，服從線性疊加原理。當物質在很強的光波（能與原子核和電子之間的電場相比擬）作用下，在產生線性極化的同時，出現二次、三次等非線性極化。由于非線性光學在現代激光技術、光學通訊、數據儲存、光信息處理等方面顯示出誘人的應用前景，因而國內外關于非線性光學晶體材料的研究一直非常活躍。近幾十年來尋找非線性光學特性強而響應速度極快的新型材料成為非線性光學領域的主要研究課題之一[4]。

2、非線性光學的發展過程

1961年到1970年是非線性光學發展的早期十年，1961年Franken將紅寶石激光束入射到石英片上，發現出射的光束中不僅有紅寶石的 694.3nm 光束，在紫外區還存在另一條波長為347.2nm 的光譜線，其波長正好是紅寶石激光波長的一半，這個實驗結果揭開了非線性光學研究史上的第一頁。此后，許多重要的非線性光學現象，如和頻與差頻的產生、光學參量振蕩、受激散射與自相位調制等相繼在實驗中被觀測到[5]。

自1971年至1990年，是非線性光學深入發展的時期。在這20年中，許多新的非線性光學效應相繼被發現。新型的非線性光學晶體材料的試制成功，微秒激光器件的廣泛使用以及飛秒激光器的研制進展，使得利用超快脈沖進行非線性光學的研究得到重大推進。

90年代以后，非線性光學在幾個方面取得了重大的進展。最引人注目的進展之一是基于80年代皮秒（ps）和飛秒（fs）全固態激光器的研制成功及高質量非線性光學晶體的發現，光學參量振蕩（OPO）和光學參量放大（OPA）技術在ps 和fs 調諧激光及連續波調諧激光方面得到實際應用。第二個引人注目的進展是由于fs激光器的研制成功，可利用非線性光學效應來研究各種材料中的超快過程，另外利用fs 激光還可研究化學反應中的超快動力學過程和生物學中光合作用的原初過程。除此之外，90年代以來，高分子和納米材料的研究、時間和空間分辨的非線性光學測試技術等方面都取得一定的進展。

3、非線性光學在光學教學中的建議

進入21世紀，光學已成為現代物理學和現代科學技術最活躍的

學科之一，但目前高等學校基礎物理學的光學教學，還遠遠落后于飛速發展的形勢[6]，光學教材的內容基本上是以經典光學知識為主，引入現代光學知識較少，非線性光學的引入也是只做簡單的介紹或者給出復雜的公式推導，學生很難有個整體的把握。因此，在光學教學中，要適當處理好經典光學理論與現代光學科技知識的關系，做到既強化基礎理論和基本技能的訓練，又要使學生較多地了解現代光學前沿課題，對于非線性光學的知識，可以較淺顯地介紹其原理，多介紹發展歷程和其中產生的一些有趣的物理現象和研究課題，從而達到激發學生的學習興趣，培養學生的科研意識和以后的科研創新能力，使光學教學緊跟現代科技發展的步伐，為國家培養更多的具有較高素質的科技人才。

三、結論

非線性光學是現代光學的前沿知識，隨著超快激光器的飛速發展使得利用超快脈沖進行非線性光學的研究得到重大推進。在普通物理光學的教學中，教師應該適當增加非線性光學知識的介紹，通過介紹非線性光學的原理以及發展歷程，使學生對這個領域有一個整體的把握，激發學習興趣，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的原理以及其發展過程，給出了非線性光學在光學教學中的一點建議，期望對初學者以及教育工作者有指導作用。

參考文獻

[1]Franken，P.A.；Hill，A.E；Peters，C.W.；Weinreich，G.，Generationofoptical harmonics.Physical Review Letters 1961，7，118—119.

[2] Maker，P.；Terhune，R.；Nisenoff，M；Savage，C，Effects of dispersion and focusing on the production of optical harmonics Physical Review Letters 1962，8（1），21—22.

[3] Zernike，I.；Midwinter，J.F.Applied nonliner optics. John Willy Press，1971.

[4] 張克從，王希敏著 非線性光學晶體材料科學（第二版）.科學出版社，2005 79.

[5] 張紀岳 非線性光學發展簡史 西北大學學報 1988年第4期，第81卷 103—104.

[6] 尹中文，軒愛華 光學教學改革的探索與實踐 南陽師范學院學報（自然科學版），2003年9月，第2卷 9 93—96.