光学基础知识大讲堂

——第13期:什么是非线性光学?

曾经有位童鞋问我,什么是非线性光学?我告诉她,不是线性的光学就是非线性光学。然后她笑我说:你说了等于白说。可是我觉得很有道理啊,各位看官评评理,这话有没有毛病?
       那既然要讲非线性光学,而且又提到了线性光学,自然我们要对比一下这二者的差别。


1 非线性光学与线性光学的区别(图片来源于网络)

所谓线性光学,其最大的特点就是不改变光的频率、不与介质发生能量交换。那根据上面我的“定理”就可以推断出,会发生能量交换、会改变频率的就是非线性光学。好了,这一期最核心的内容讲完了,是不是so easy!!!

相位匹配

如果你还在往下看,那问题就又来了,为什么会产生非线性的光学现象?嗯,这个问题就跟光的干涉是一样的,比如非相干的太阳光我们能不能看到干涉条纹?不能,为什么?是不是没有发生干涉?不是,是因为干涉很弱,不足以形成干涉条纹,同样地适合在非线性光学上,其实我们常说的线性光学,只是因为非线性现象非常弱,所以导致我们观察不到,总结一句话:看不到并不代表没有!直到激光器的发明,强激光作用才让我们真正观察到了非线性光学现象!
       好,第一个问题回答完毕,第二个问题来了,是不是只要强激光作用下就能观察到非线性的光学效应?答案:不是。必须满足一定的条件以后才能产生这种现象。这里一定的条件就是本节的标题,我们把他叫做相位匹配。所谓相位匹配就是在三波非线性耦合过程中,使得相位失配因子Δk=k3-k2-k1=0,而相位匹配本质上就是要求光波满足能量守恒定律和动量守恒定律。
      不讲这么多虚的,那如何实现相位匹配,或者直接说满足这个条件吧?第一种方法,调节入射光的角度就可以。
      不过在介绍方法之前,首先需要普及下光学晶体方面的概念,因为并不是所有材料在强激光的作用下都能产生非线性效应的。第一个概念:晶体材料的各项异性,所谓各项异性,其具体表现就是在三维方向上材料有不同的电极化强度、折射率等性能数值。第二个概念:双折射,所谓双折射就是光束入射到各项异性的晶体上,就会分解为二个不同方向的折射光,我们通常称之为o光(寻常光)和e光(非寻常光)。
      好,铺垫完毕,继续上面的话题。相位匹配的具体目的是什么?我们调整入射光的角度为了达到什么效果?答案是为了让不同频率的光在同一个方向上传播,而且要保证相同的传播速度(相速度)。所以,相位匹配的物理本质(以倍频为例,就是光的频率翻倍)是让基频光在晶体中传播,然后沿途激发出倍频光,由于相速度相同,所以相位是一致的,这样沿途激发的倍频光可满足干涉条件,从而极大地增强倍频光的光强(这里的倍频光就是非线性光学现象)。举个例子,你想招募一批新的军队,然后沿途招募志愿军,如果招募的士兵都是散兵,那战斗力就不强,如果就像是经过训练一样整齐划一的士兵,那自然就非常厉害了!
      那如何找到这个入射光的角度呢?首先看下图1,图中实线圆圈表示o光,虚线椭圆表示e光,其实就是o光在各个方法的传播速度是一致的,e光的传播速度是不一样的。当然,这里还需要提到一个常识,不同频率的光在材料中传播的传播速度也是不一样的(经典的色散现象例如彩虹等),图中绿色的是倍频光,红色的是基频光,我们的目的是用基频光来产生倍频光,所以这里面最基本的做法就是选择交点A的方向,这样基频光的o光就可以产生倍频光的e光,小圆变大椭圆,从本质上来说就是用2个基频光o光光子来转化成1个倍频光的e光光子


1 负单轴晶体相位匹配(图片来源于网络)

前面这种方式的相位匹配方式,我们称之为第Ⅰ类匹配,这一类取的是基频光的同偏振光(即o光,或者e光,想象一样,如果椭圆在外面,那就是反一下的,这样就变成正单轴晶体了)。有第Ⅰ类自然就有第Ⅱ类,第Ⅱ类匹配应该是取基频光的不同偏振光,如何做到?看图2红色的圆,对于特定频率的光,e光折射率和o光折射率是固定的,所以必定可以找出这么一个点,使得有蓝色的圆与绿色虚线椭圆相交,这个方向就是第Ⅱ类匹配的入射光角度,其本质就是1个基频光e光和1个基频光o光转化成倍频光e光


2 负单轴晶体第Ⅱ类相位匹配(图片来源于网络)

前面讲了用调整角度的方法来实现相位匹配。那有没有其他的方法来实现相位匹配?有,用温度的方法来实现。
       在这之前,我们再来看一下上面那2个不同折射率圆的图,各位有没有想到,会不会出现这种情况:2个圆不相交怎么办,其实这就是一开始说的:并不是所有的材料在强激光的作用下都会产生非线性光学现象!这就意味着如下图的正单轴晶体(例如石英晶体)在该情况下不会发生非线性效应,无论哪个入射角度都不行。这里需要说明一点:非线性并不一定是倍频,讲高次谐波会更合适一点。


3 正单轴晶体相位失配

好,现在再回到这第二种方法:用温度的方法来实现相位匹配。为什么可以用温度来实现相位匹配,因为不同温度条件下,材料的折射率是不一样的,而且o光和e光的折射率变化程度也是不同的,所以我们就可以让图3在某个温度条件下变成这个样子,如图4。这样就能实现非线性效应了,而且90º的相位匹配方式可以提高非线性的转换效率,反正好处多多,这个就不展开讲了!


4正单轴晶体90º相位匹配

非线性光学现象

前面讲了非线性光学产生的条件和原理,也不知道各位看官有没有被我绕懵圈了。接下来就简单介绍下有哪些现象属于非线性光学现象。

  • 倍频

我们常说的倍频,其实用高次谐波表示更恰当。其实就是用频率为ω的激光,入射到非线性晶体上,产生2ω、3ω、4ω等高频激光。

  • 光学混频

所谓混频就是用频率为ω1和频率为ω2的激光,经过非线性材料后产生ω2-ω1的差频和ω2+ω1的和频,所以有时候我们也叫做四波混频,用这种方式就可以拓展电磁波的光谱范围。当然,还有一种反着来的方式,就是用参量放大的形式,把频率为ω3的激光分解为ω1的信号光和ω2的闲频光,这种方式在前面某一期:提到激光功率中也有提到过,都可以用来得到一般激光器不能产生的激光波长。

  • 拉曼散射

拉曼散射不再多做介绍,请详解前面某期:光的散射。由于改变了光的频率,自然它属于非线性光学现象。

  • 自聚焦

通常我们都说光是沿直线传播的,另外光通过棱镜会发生折射和色散,所以当非线性材料在强激光的作用下,材料的折射率就会发生变化,就会改变光的传播路线,形成自聚焦效应。如果把自聚焦效应和材料的色散作用相抵消,那么例如在光纤中传输的信号就不会失真,这就是非常好的应用!


5 自聚焦效应(图片来源于网络)

  • 光致透明

所谓光致透明就是,某种材料的吸收系数与光的强度有关,当光强度很低的时候,材料几乎就是不透明的,也就是能够吸收所有的光,但是当光强度达到一定的程度,吸收系数就变零了,也就等同于透明一样,这样高强度的激光就可以透过去了,通常我们也把他叫做可饱和吸收体。这个方法可以用来提高激光的信噪比,让强度不高的噪声被吸收滤除,而相对高强度的信号光透过。

好了,本期就讲到这里,如此长篇大论且枯燥的理论,相信没多少人愿意看完,但是我还是希望看到的童鞋能有点收获!致敬所有在科研道路上努力奋斗的兄弟姐妹们!