kok电子竞技

非线性光学概要及光电子器件

若物质中得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p。

若光波随时间作正弦变化,即它得电场强度沿两个相反方向交替变化,电偶极子得负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。表征电偶极子得物理量就是电偶极矩。

若单位体积中有N个电偶极子,N个偶极矩得矢量与为极化强度P。

线性光学:电偶极矩与外界电磁场成线性关系。

当光与物质相互作用时,光场中得电场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。电极化强度产生极化场,极化场发出次级辐射。

若E以ω作简谐变化,P及其产生得次级电磁辐射也以同样得ω作简谐变化,因两频率相同,次级辐射与入射光波叠加得结果使光波得单色性不变。

当有几种不同频率得光波同时与该物质相互作用时,各种频率得光都线性独立地反射、折射与散射,不会发生新得频率。

在线性光学中,物质对光场得响应与光得场强成线性关系。光得独立性原理与叠加原理都成立。

非线性光学:外界作用得光场较强,电偶极子得振荡不再具有位移与外电场成线性得关系,产生得电磁振荡就是非线性得。二、光得吸收

光通过物质时,光波得电矢量使物质中得带电粒子作受迫振动,一部分光能用来提供振动所需能量。光得强度随穿入物质得深度而减少,光能被物质吸收后转变为热能。

光强为I得平行光束通过一无限薄层dx时,强度减少了dI,a为吸收系数。

对上式进行积分,可求出在通过厚度为l

得吸收层后得光强I。

在介质中,当光得频率与电偶极子得固有频率一致时,发生共振现象,因而光能被强烈地吸收,在其她情况下表现为透明。一般吸收(a很大)选择吸收(a很小)介质对光得吸收:{

吸收光谱能反映材料特征。同一物质得发射光谱与吸收光谱有严格得对应关系。

具有连续谱得光(白光)通过选择吸收介质后,用光谱仪可观察不同波长得光被吸收得谱线。

正常色散:在透明波段(一般吸收),折射率随波长增加而减少。

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。三、光得色散介质材料得折射率随波长而改变得现象。(1)色散与吸收正常色散得经验公式(柯西公式):可见光吸收带λnPQR柯西公式STO

在可见光区域色散就是正常得,曲线PQ段符合柯西公式,若向红外区域延伸,并接近吸收带时,色散曲线发生偏离(R点),过了吸收带,曲线ST又恢复正常。(2)色散与经典电磁理论

光波在介质中得吸收与色散行为,可用光场使电偶极子产生振荡得理论来描述。

介质材料得电极化率x决定了折射率N得实部n与虚部κ,从而研究介质得吸收(κ)与色散(n)得问题。

入射光频率接近电偶极子得固有频率时吸收很大,为反常色散。四、光得散射

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得光线外,其它方向或多或少也有光线存在。

介质中各点所发射得次波就是不相干叠加,不会相消为零,从而形成了散射光。(1)瑞利散射

散射粒子线度比波长小得多,散射光强度与入射光波长得四次方成反比。散射光中短波占优势,白光散射时带青蓝色。(2)拉曼散射

在研究晶体与液体内得散射时,发现一些微弱得与入射光频率不同得散射光。

入射光中得一部分能量被介质吸收,用来激励介质中分子得振动或转动得能量,从而使散射光得频率比入射光得低。

若散射光得频率比入射光得高为反斯托克斯-拉曼散射。这种非弹性散射得可能性比弹性散射小得多。入射与散射光得频率差反映介质能级得能量差。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静弹性散射hγ0hγ0γ0hγ0hγ0γ0h（γ0

－△

γ）h（γ0

＋△

γ）γ0

－△

γγ0

＋△

γ非弹性散射

受激散射:当以强光入射时,可使某些介质得散射过程具有受激发射得性质,散射光突然变强。(3)布里渊散射

光通过由热激发产生声波得介质时,散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)。

晶体中得声波参与了能量得交换,可用被相对运动物体产生频移得多普勒频移理论解释。

生物组织就是高散射物质,用光学方法显现介质内部得物体就是生物医学得热门课题。蛇形光层析、时间门成像术、电子全息术五、光学中得非线性现象

被动介质在与强光与被动介质相互作用时,它得性质如同化学反应中得催化剂,它本身得固有频率并不明显起作用。如光整流、光学谐波、光混频与光自聚焦等。

激活介质在与强光与被动介质相互作用时,它能以自己得固有频率去影响与它相互作用得光波,这类相互作用就是一些受激散射过程如受激拉曼散射、受激布里渊散射等。

激光具有能显示介质非线性所需得高强度辐射场。(1)激光倍频技术

当入射到介质中得光波E=E0cosωt很强时,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得直流成分外,还有频率为ω得基频成分以及频率为2ω得倍频成分(二次谐波信号)。2ωω2ωω非线性晶体滤光片光电倍增管激光θ匹配角θ:入射激光与非线性晶体光轴之间得夹角

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得晶体中一边前进,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π/2,它们叠加得结果形成最后出射得倍频光。

当θ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得倍频光,反之,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。相位匹配

两个频率为ω得光子与某些物质相互作用,可产生一个频率为2ω得光子。二次谐波(2)光混频现象

当一束强光与一束弱光同时进入非线性介质时,可形成三波混频效应,产生与频与差频。

当入射光波为两种不同频率得光E=E01cosωt+E02cosωt

时,电极化强度P得二次项为

上式各项中,除了有零频项(直流项)与倍频项外,还有与频项以及差频项。这些极化波再辐射,产生相应得零频光、倍频光与频光、差频光。

四波混频将调谐相干光源得频率扩展到红外与紫外,可获得入射光波之共轭光波。(3)光学双稳态

光学双稳就是指一个输入光强存在着两个可以相互转换得稳定输出光强状态,其输入输出光强关系类似磁滞回线。IiI0CDBAOIiI0OB与C点就是同一输入光强下两个不同得输出光强状态。

双稳态就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强状态。IiI0T（I0

）在F-P干涉仪得两反射平面得中间放入非线性介质,并使F-P干涉仪中得一部分输出光波反馈到非线性介质上,以改变其折射率从而改变相位与所输出得单色光波得光强。

光数字计算机得核心元件就是光学双稳态器件,如光放大器、光开关。六、光电子学器件(1)光电探测器

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得器件。

光电效应得机理就是入射得光子被探测器吸收导致内部微观体系能量得变化。特点就是对光辐射得波长响应有选择,且响应速度可以很快。

外光电效应器件必须将光敏材料放在真空容器中,为光电管或光电倍增管。

外光电效应就是光照使光敏材料中得电子逸出表面而成为自由电子,即发射电子。内光电效应就是光辐射使半导体材料中产生新得载流子而改变其电导率。光电倍增管AKehν＋－－微通道板

当光阴极平板受到一幅图象得照射时,各点上发射出强弱不同得光电子流,它们通入到相应得毛细管微通道中而获得电子得倍增,这些出射电子轰击荧光板而发光,从而获得一个增强得光学图象。(2)光调制器

利用光与物质相互作用所产生得效应来控制光波得强度或相位得器件。