非線性光學在光學教學中的應用

趙坡

摘 要：非線性光學是現代光學的一個分支，人們普遍認為最早的非線性光學現象是1961 年被Franken 等人在 Michigen 大學觀察到的。隨著激光的出現，非線性光學現象有了更多更快的發展。非線性光學從理論上豐富了人們對光與物質相互作用的認識，也已經在技術及研究領域得到廣泛的實際應用。文章對非線性光學的相關概念進行了介紹，探討了非線性光學在光學教學中的應用。

關鍵詞：非線性光學;發展;教學

引言

非線性光學誕生于20世紀60年代激光出現以后。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。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。

1.非線性光學概述

非線性光學是現代光學的一個分支，研究介質在強相干光作用下出現的與介質的非線性極化相聯系的各種光學效應，以及如何利用這些效應的學科。

過去的光學理論認為，介質的極化強度與入射光波的場強成正比。于是，表征物質光學性質的許多參數，如折射率、吸收系數等都是與光強無關的常量。普遍的光學實驗證實，單一頻率的光通過透明介質后頻率不會發生任何變化，不同頻率的光之間不會發生相互耦合作用。激光出現后的短短的幾年內，人們觀察到許多用過去的光學理論無法解釋的新效應。為了解釋這些新效應，產生了非線性光學理論。

非線性光學不僅從理論上豐富了人們對光與物質相互作用的認識，而且已經得到廣泛的實際應用。非線性光學的研究在激光技術、光通信、信息和圖像的處理與存儲、光計算等方面有著重要的應用 ，具有重大的應用價值和深遠的科學意義。例如，光倍頻、光參量振蕩、受激喇曼散射已成為產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開關和被動鎖模元件。此外，它在激光光譜學、同位素分離、光控化學反應、核聚變、集成光學、信息光學、光學計算機等方面都有重要的作用。

常見非線性光學現象有：

1.1光學整流

E2項的存在將引起介質的恒定極化項，產生恒定的極化電荷和相應的電勢差，電勢差與光強成正比而與頻率無關，類似于交流電經整流管整流后得到直流電壓。

1.2產生高次諧波

弱光進入介質后頻率保持不變。強光進入介質后，由于介質的非線性效應，除原來的頻率ω外，還將出現2ω、3ω、……等的高次諧波。

1.3光學混頻

當兩束頻率為ω1和 ω2（ω1>ω2）的激光同時射入介質時，如果只考慮極化強度P的二次項，將產生頻率為ω1+ω2的和頻項和頻率為ω1-ω2的差頻項。利用光學混頻效應可制作光學參量振蕩器，這是一種可在很寬范圍內調諧的類似激光器的光源，可發射從紅外到紫外的相干輻射。

1.4受激拉曼散射

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

1.5自聚焦

介質在強光作用下折射率將隨光強的增加而增大。激光束的強度具有高斯分布，光強在中軸處最大，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，直到光束達到一細絲極限（直徑約5×10-6米），并可在這細絲范圍內產生全反射，猶如光在光學纖維內傳播一樣。

1.6光致透明

弱光下介質的吸收系數（見光的吸收）與光強無關，但對很強的激光，介質的吸收系數與光強有依賴關系，某些本來不透明的介質在強光作用下吸收系數會變為零。

目前在非線性光學的研究熱點包括：研究及尋找新的非線性光學材料例如有機高分子或有機晶體等。常用的二階非線性光學晶體有磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氫銨（ADP）、磷酸二氘鉀（KD*P）、鈮酸鋇鈉等。此外還發現了許多三階非線性光學材料。

從技術領域到研究領域，非線性光學的應用都是十分廣泛的。例如，利用各種非線性晶體做成電光開關和實現激光的調制。利用二次及三次諧波的產生、二階及三階光學和頻與差頻實現激光頻率的轉換，獲得短至紫外、真空紫外，長至遠紅外的各種激光;同時，可通過實現紅外頻率的上轉換來克服目前在紅外接收方面的困難。利用光學參量振蕩實現激光頻率的調諧。目前，與倍頻、混頻技術相結合已可實現從中紅外一直到真空紫外寬廣范圍內調諧。利用一些非線性光學效應中輸出光束所具有的位相共軛特征，進行光學信息處理、改善成像質量和光束質量。利用折射率隨光強變化的性質做成非線性標準具和各種雙穩器件。利用各種非線性光學效應，特別是共振非線性光學效應及各種瞬態相干光學效應，研究物質的高激發態及高分辨率光譜以及物質內部能量和激發的轉移過程及其他弛豫過程等。

2.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。

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]張雷，龍英才.沸石分子篩基功能光學材料的研究進展[J].上?；?，2000，（13）：26-29.

[2]楊尊先，趙修建，陳文梅等.二階非線性光學氧化物玻璃的研究進展[J].材料導報，2000，14（10）：47-50.

[3]林健，黃文旱，孫真榮等.稀土摻雜碲鈮鋅系統玻璃的非線性光學性能[J].功能材料，2004，35（6）：745-746.