非線性光學與光子學

叢書序前言第1章引論1

1.1非線性光學與非線性光子學的學科定義1

1.1.1線性光學的定義與特點1

1.1.2非線性光學的定義與特點2

1.1.3非線性光子學的學科含義4

1.2描述光輻射場的主要物理參量4

1.2.1光輻射的強度與亮度5

1.2.2光束的空間與時間相干性6

1.2.3光子波型數(shù)與光子簡并度7

1.3強相干光輻射與物質作用的特點9

1.4描述強相干光與物質作用的兩種理論體系11

1.4.1半經典理論11

1.4.2量子電動力學理論12

1.4.3兩種理論體系的適用范圍15

1.5非線性光學與光子學的應用和科學意義16

參考文獻18第2章非線性電極化過程20

2.1光學介質的非線性感應電極化效應20

2.2介質產生感應電極化的物理機制24

2.3非線性電極化率的張量表現(xiàn)形式25

2.4非線性電極化率的基本性質27

2.5非線性電極化作用下的耦合波動方程30

2.6單色光場的復數(shù)表示形式33

參考文獻35第3章二階非線性（三波）混頻效應36

3.1光學二次諧波效應36

3.1.1二次諧波產生的量子圖像描述36

3.1.2二次諧波的半經典理論定量描述38

3.1.3產生二次諧波的工作物質42

3.1.4產生二次諧波的實驗裝置46

3.2光學和頻與差頻效應48

3.2.1光學和頻效應48

3.2.2光學差頻效應49

3.2.3光學和頻與差頻產生的實驗裝置50

3.3光學參量放大與振蕩效應51

3.3.1光學參量效應51

3.3.2光學參量放大和振蕩條件的推導52

3.3.3光學參量放大器和振蕩器實驗系統(tǒng)55

3.4特殊光學二次諧波產生59

3.4.1產生二次諧波的特殊材料59

3.4.2在表面和交界面產生二次諧波60

參考文獻61第4章三階非線性（四波）混頻效應65

4.1四波混頻（四光子參量作用）的幾種方式65

4.2光學三次諧波的產生68

4.2.1三次諧波效應的非線性電極化理論描述68

4.2.2實現(xiàn)三次諧波相位匹配的方法70

4.2.3三次諧波產生的共振增強72

4.2.4產生三次諧波及和頻輻射的介質和裝置74

4.3拉曼共振增強的四波混頻76

4.3.1相干斯托克斯與反斯托克斯環(huán)狀輻射的產生76

4.3.2兩拉曼差頻光束成微小角度入射的情況78

4.4非共振四光子參量作用79

4.4.1部分簡并四光子參量作用79

4.4.2簡并四光子參量作用82

4.5通過三階非線性過程產生二次諧波83

4.5.1直流電場導致的二次諧波產生83

4.5.2光纖中的二次諧波產生84

參考文獻86第5章強光引起的折射率變化90

5.1線性光學中對折射率的描述90

5.2非線性光學中對折射率的描述92

5.3雙光束入射引起的折射率變化94

5.4雙光子共振引起的折射率增強變化95

5.5拉曼共振引起的折射率增強變化98

5.6折射率感應變化的物理機制99

5.6.1引起折射率變化的不同物理機制99

5.6.2分子再取向克爾效應引起折射率變化的表達式101

5.6.3電致伸縮效應導致的折射率變化表達式103

5.6.4感應折射率變化的時間特性104

5.7二階非線性電極化過程導致的折射率耦合變化（光頻泡克耳斯

效應）107

參考文獻112第6章強光自聚焦、自相位調制與光譜自加寬114

6.1強光自聚焦的基本理論114

6.1.1自聚焦現(xiàn)象概述114

6.1.2光束自陷的感應波導模型117

6.1.3穩(wěn)態(tài)自聚焦解析理論118

6.1.4穩(wěn)態(tài)自聚焦焦距的半經驗公式123

6.1.5動態(tài)自聚焦描述124

6.2自聚焦的直接觀測實驗125

6.2.1自聚焦光束多焦點結構的直接觀測125

6.2.2對超短脈沖產生多焦點自聚焦行為的模擬數(shù)值計算131

6.3強光脈沖的自相位調制和頻率啁啾效應134

6.4強光脈沖的光譜自加寬效應137

6.4.1準單色強光脈沖自調制導致的光譜自加寬137

6.4.2多頻率組分脈沖拍頻調制導致的光譜自加寬139

6.5相干連續(xù)譜白光輻射142

6.5.1超短強光脈沖產生相干連續(xù)譜白光輻射142

6.5.2用納秒激光脈沖產生相干連續(xù)譜白光輻射147

6.5.3相干連續(xù)譜白光輻射的應用151

參考文獻151第7章強相干光受激散射效應155

7.1光的散射現(xiàn)象155

7.1.1光的散射現(xiàn)象的起因155

7.1.2光的散射現(xiàn)象的分類156

7.1.3光的受激散射與普通（自發(fā)）散射間的區(qū)別159

7.2受激拉曼散射161

7.2.1拉曼散射過程的量子理論圖像161

7.2.2拉曼散射過程的量子理論定量描述163

7.2.3自發(fā)和受激拉曼散射概率表達式169

7.2.4受激拉曼散射增益系數(shù)和閾值條件171

7.2.5受激拉曼散射增益系數(shù)的半經典理論推導174

7.3受激拉曼散射實驗規(guī)律177

7.3.1實驗裝置和散射介質177

7.3.2受激拉曼散射過程中的四波混頻179

7.3.3拉曼共振增強的自聚焦效應185

7.4自旋反轉、電子、純轉動躍遷受激拉曼散射189

7.4.1自旋反轉受激拉曼散射189

7.4.2電子躍遷受激拉曼散射193

7.4.3純轉動躍遷受激拉曼散射196

7.5受激布里淵散射效應197

7.5.1自發(fā)和受激布里淵散射的物理圖像197

7.5.2強光與介質感應聲波場的相互作用199

7.5.3受激布里淵散射的增益與閾值202

7.5.4受激布里淵散射的實驗研究207

7.6受激克爾散射效應214

7.6.1有關液體中光頻再取向克爾效應的背景知識214

7.6.2受激瑞利翼散射215

7.6.3超寬帶受激散射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)216

7.6.4克爾散射的物理模型218

7.6.5克爾散射的截面220

7.6.6受激克爾散射的增益和閾值條件224

7.6.7實驗結果與理論的比較225

7.7受激瑞利布拉格散射效應231

7.7.1效應發(fā)現(xiàn)的背景231

7.7.2受激瑞利布拉格散射的物理模型231

7.7.3SRBS產生的閾值條件233

7.7.4SRBS的實驗特性235

7.7.5SRBS對泵浦光譜線寬度的要求239

7.8受激米氏散射效應241

7.8.1效應發(fā)現(xiàn)的背景和產生機理241

7.8.2半導體納米顆粒懸浮液中SMS實驗242

7.8.3金屬納米顆粒懸浮液中SMS實驗244

參考文獻248第8章光學相位共軛效應256

8.1相位共軛波的定義和功用256

8.1.1光學相位共軛技術的產生背景256

8.1.2相位共軛波的定義257

8.1.3相位共軛波的特殊功用258

8.2利用四波和三波混頻產生相位共軛波260

8.2.1利用簡并四波混頻產生后向共軛波260

8.2.2簡并四波混頻產生后向共軛波的兩種物理解釋263

8.2.3利用部分簡并四波混頻產生后向共軛波265

8.2.4利用四波混頻產生前向共軛波266

8.2.5利用三波混頻產生前向共軛波268

8.3利用四波混頻產生相位共軛波的實驗研究270

8.3.1簡并四波混頻產生后向共軛波270

8.3.2部分簡并四波混頻產生后向共軛波274

8.4利用后向受激散射產生相位共軛波276

8.4.1后向受激散射相位共軛特性的實驗發(fā)現(xiàn)276

8.4.2后向受激散射相位共軛特性的實驗表征277

8.4.3后向受激散射具有相位共軛特性的物理解釋282

8.4.4后向受激散射相位共軛特性的數(shù)學描述284

8.5利用后向激光發(fā)射產生相位共軛波287

8.5.1后向激光發(fā)射相位共軛特性的發(fā)現(xiàn)和物理解釋287

8.5.2后向激光發(fā)射相位共軛特性的實驗特征289

8.6光學相位共軛技術的應用293

8.6.1相位共軛技術的多種應用293

8.6.2相位共軛技術在高速率和遠距離光纖通信系統(tǒng)中的

應用296

參考文獻304第9章非線性與超高分辨光譜學312

9.1限制光譜分辨率的因素312

9.1.1傳統(tǒng)光譜術與新型激光非線性光譜術312

9.1.2影響光譜分辨率的各種因素313

9.2飽和吸收光譜學效應318

9.2.1效應概述318

9.2.2基本理論考慮321

9.2.3實驗研究簡述323

9.2.4交叉耦合飽和吸收光譜效應328

9.3消多普勒加寬雙光子吸收光譜學效應330

9.3.1效應概述330

9.3.2有關2PA的半經典理論描述332

9.3.3有關實驗結果334

9.4相干拉曼和四波混頻光譜學效應337

9.4.1效應概述337

9.4.2相干反斯托克斯拉曼光譜學效應338

9.4.3拉曼感應克爾效應光譜學效應344

9.4.4拉曼增益光譜學和反拉曼光譜學效應346

9.5激光偏振光譜學效應349

9.5.1效應概述349

9.5.2消多普勒加寬飽和吸收偏振光譜學效應349

9.5.3偏振CARS光譜學效應352

9.5.4偏振標定分子光譜學效應354

9.6激光冷卻與陷俘光譜術356

9.6.1激光冷卻與陷俘的原理356

9.6.2激光冷卻與陷俘的技術358

9.6.3獲得超高光譜分辨率的實驗結果360

參考文獻363第10章瞬態(tài)相干光學效應370

10.1瞬態(tài)相干作用的定義和特點370

10.2自感透明效應372

10.2.12π脈沖的定義和自感透明372

10.2.22π脈沖的形狀和速度375

10.2.3自感透明的實驗378

10.3光子回波效應381

10.3.1光子回波現(xiàn)象381

10.3.2光子回波的理論描述383

10.3.3光子回波的實驗388

10.4光學章動效應391

10.4.1現(xiàn)象概述391

10.4.2布勞赫方程的建立392

10.4.3瞬態(tài)相干輻射場方程396

10.4.4光學章動的實驗研究398

10.5光學自由感應衰減效應401

10.5.1效應表現(xiàn)和數(shù)學描述401

10.5.2光學自由感應衰減實驗研究403

參考文獻405第11章光學雙穩(wěn)態(tài)效應與器件411

11.1非線性FP干涉儀411

11.1.1光學雙穩(wěn)態(tài)研究的背景411

11.1.2光學雙穩(wěn)裝置的穩(wěn)態(tài)理論考慮412

11.1.3非線性FP裝置的動態(tài)響應特性416

11.2光學雙穩(wěn)態(tài)的實驗設計417

11.2.1入射光束空間和光譜結構的影響417

11.2.2雙穩(wěn)態(tài)實驗的典型設置419

11.3光學雙穩(wěn)態(tài)的實驗研究420

11.3.1光學雙穩(wěn)態(tài)效應的早期觀測420

11.3.2用于光學雙穩(wěn)態(tài)實驗的非線性材料422

11.3.3半導體雙穩(wěn)態(tài)裝置424

11.3.4光波導雙穩(wěn)態(tài)裝置425

11.3.5基于光熱機制的瞬態(tài)雙穩(wěn)態(tài)效應428

11.4光學雙穩(wěn)性研究的新進展430

參考文獻436第12章光學時間孤子440

12.1形成時間孤子的條件440

12.1.1群速度和群速度色散440

12.1.2石英玻璃光纖的折射率和群速度色散441

12.1.3在非線性介質中GVD效應和自相位調制效應之間的

平衡443

12.2時間孤子的基本性質445

12.2.1非線性色散介質中光傳輸滿足的波動方程445

12.2.2光纖系統(tǒng)中非線性波動方程的時間孤子解446

12.2.3光纖中產生時間孤子效應的實驗證明448

12.2.4在n2<0并具有正GVD的介質中孤子型脈沖的形成

449

12.2.5時間孤子在光纖中的長距離傳輸450

12.3時間孤子的自變窄和自頻移效應452

12.3.1高階時間孤子在經過短光纖后的自變窄效應452

12.3.2由拉曼增益引起的時間孤子的自頻移效應454

12.4光纖孤子激光器456

12.4.1時間孤子激光器的工作原理456

12.4.2孤子激光器的初始設計457

12.4.3稀土離子摻雜光纖孤子激光器458

12.4.4光纖拉曼孤子激光器461

參考文獻463第13章光學空間孤子467

13.1光學空間孤子的定義467

13.2空間亮孤子的產生468

13.2.1產生空間亮孤子的物理機制468

13.2.2空間亮孤子在三階非線性介質中的形成469

13.2.3空間亮孤子在二階非線性介質中的形成470

13.2.4空間亮孤子在液晶介質中的形成472

13.2.5空間亮孤子在光折變介質中的形成474

13.2.6螺旋行進空間亮孤子的形成476

13.3空間暗孤子的形成477

13.3.1空間暗孤子形成的物理機制477

13.3.2產生空間暗孤子的實驗478

13.4空間孤子的相互作用及應用482

13.4.1空間孤子相互作用概述482

13.4.2在三階非線性介質中空間孤子的相互作用483

13.4.3在二階非線性晶體中空間孤子的相互作用485

13.4.4在光折變介質中的空間孤子相互作用486

參考文獻488第14章多光子非線性光子學技術493

14.1多光子吸收過程493

14.1.1多光子吸收研究概述493

14.1.2多光子吸收的物理機制495

14.1.3輻射量子理論有關多光子吸收的定量表述497

14.1.4強光束在介質中傳播時的衰減公式501

14.2多光子吸收材料503

14.2.1多光子吸收材料概述503

14.2.2多光子吸收材料的種類504

14.3多光子吸收介質的非線性光學特性507

14.3.1多光子激發(fā)波長的選擇507

14.3.2離散波長雙（多）光子吸收截面測量508

14.3.3影響吸收截面測量結果的諸因素509

14.3.4雙（多）光子吸收光譜分布的測量513

14.3.5雙（多）光子吸收導致的熒光發(fā)射特性517

14.4多光子泵浦激發(fā)發(fā)射519

14.4.1多光子泵浦激光發(fā)射技術概述519

14.4.2雙光子泵浦激光發(fā)射實驗521

14.4.3多光子泵浦激光發(fā)射實驗524

14.5基于多光子吸收的光學限幅、穩(wěn)定與整形527

14.5.1基于多光子吸收的光學限幅527

14.5.2基于多光子吸收的光學穩(wěn)定和時空整形532

14.6基于多光子吸收的光學三維數(shù)據(jù)存儲與微制造537

14.6.1采用多光子吸收介質記錄光學信息的特點537

14.6.2采用雙光子吸收介質的3D光存儲實驗540

14.6.3基于雙光子聚合原理的3D光學微制作542

參考文獻544第15章非線性光電效應553

15.1光電效應簡介553

15.1.1單光子光電發(fā)射效應553

15.1.2固體的電子能帶結構554

15.1.3單光子激發(fā)半導體的光電導行為555

15.1.4金屬表面附近電子的鏡像電勢態(tài)555

15.2多光子光電發(fā)射效應557

15.2.1多光子光電發(fā)射的早期觀察557

15.2.2共振增強的多光子激發(fā)光電發(fā)射558

15.2.3潔凈或吸附金屬表面的多光子光電發(fā)射研究561

15.3多光子光電導效應564

15.3.1多光子誘導光電導性的機制564

15.3.2半導體與絕緣介質中多光子誘導光電導特性的研究

565

15.3.3基于多光子光電導機制的半導體光譜研究566

15.3.4基于多光子光電導元件的超短激光脈沖的自相關測量

568

參考文獻572第16章快光與慢光傳輸577

16.1光速577

16.1.1連續(xù)單色光的相速度577

16.1.2準單色光脈沖的構成特點578

16.1.3準單色光脈沖的群速度和群折射率580

16.2在共振介質中的群速度581

16.2.1吸收介質的復折射率582

16.2.2吸收介質的群折射率585

16.2.3光脈沖在吸收介質中的群速度585

16.2.4光脈沖在增益介質中的群速度587

16.3共振介質中的快/慢光傳播589

16.3.1共振介質中光脈沖的傳播特性589

16.3.2光的傳播與物理學中因果關系和狹義相對論的關系

591

16.3.3折射率色散與吸收或增益系數(shù)的關系592

16.3.4實現(xiàn)快光和慢光傳輸?shù)姆椒?93

16.4快光傳輸?shù)膶嶒炑芯?95

16.4.1線性吸收介質內的快光傳輸595

16.4.2在雙增益線介質內的快光傳輸596

16.4.3在誘導吸收介質中的快光傳輸599

16.4.4快光介質中脈沖峰值的向后移動600

16.5慢光傳輸?shù)膶嶒炑芯?02

16.5.1基于電磁誘導透明的慢光傳輸602

16.5.2基于吸收飽和的慢光傳輸606

16.5.3光脈沖在EIT介質中的暫停與再生效應608

16.5.4拉曼增益介質中慢光效應610

16.5.5布里淵增益介質中的慢光效應612

16.5.6半導體放大器或光纖放大器中的慢（快）光效應614

參考文獻616第17章太赫茲非線性光學620

17.1用光學整流與差頻方法產生相干太赫茲輻射620

17.1.1在二階非線性晶體內產生太赫茲輻射的原理620

17.1.2在二階非線性介質內產生太赫茲脈沖發(fā)射的實驗研究

623

17.1.3在等離子體中通過四波混頻方法產生太赫茲輻射625

17.2檢測太赫茲輻射的非線性光學方法626

17.2.1通過電光取樣檢測太赫茲輻射626

17.2.2通過四波混頻檢測太赫茲輻射628

17.3強太赫茲場的非線性光學應用631

17.3.1強太赫茲脈沖通過泡克耳斯效應引起的非線性相位

調制631

17.3.2強太赫茲脈沖通過克爾效應引起的非線性折射率變化

636

17.3.3強太赫茲場在半導體內引起的非線性吸收637

參考文獻638第18章非線性電極化率的詳盡理論641

18.1密度矩陣和相互作用能641

18.1.1密度矩陣的基本方程641

18.1.2相互作用能的多極矩展開643

18.2各階電極化率的密度矩陣方法求解646

18.2.1密度矩陣方程的逐次求解646

18.2.2各階電極化率張量元的解析表達式649

18.3非線性電極化率的主要性質654

18.3.1局部場修正654

18.3.2空間對稱性656

18.3.3互換對稱性和時間反演對稱性659

18.4非線性電極化率的共振增強性質662

18.4.1共振增強效應概述662

18.4.2一階和二階電極化率共振增強效應663

18.4.3三階電極化率的單光子共振增強664

18.4.4三階電極化率的雙光子和頻共振增強664

18.4.5三階電極化率的雙光子差頻共振增強665

18.5非線性電極化率量子力學表達式的適用性667

參考文獻669附錄671

附錄1用于非線性光學的物理常數(shù)671

附錄2數(shù)值估算和單位制轉換672

附錄3晶體和其他介質的線性電極化率張量元674

附錄4晶體的二階非線性電極化率張量元675

附錄5晶體產生二次諧波的非線性電極化率張量元677

附錄6晶體和其他介質的三階電極化率張量元680

附錄7晶體和其他介質的核貢獻三階電極化率張量元683

附錄82π脈沖自感透明的公式推導686索引688