非线性光学与光子学

　　本书作为一本关于非线性光学与光子学的学术著作，全面总结介绍了半个世纪以来非线性光学领域的主要课题内容和发展成就，着重介绍了20世纪90年代以后的一系列新型研究课题以及它们在光子学领域内的独特应用，同时客观反映了作者及其所领导的研究团队多年来做出的一些新新发现和相关贡献。 本书可供物理、光学、光电子学、光化学等相关专业学生、教师和科研人员阅读参考。

　　赫光生，国际知名非线性光学研究学者。早期（1965-1986）曾在中国科学院上海光学精密机械研究所从事与激光物理和非线性光学有关的基础研究，1980年代在国内多所大学讲授过题为“非线性光学”的讲座课程。1987—1998年赴美国纽约州立大学布法罗分校光子学研究实验室工作，1999年至今任该校激光、光子学与生物光子学研究所的资深研究员。先后合作出版中英文著作《强光光学》、Nonlinear Optics and Photonics 等7本。在国际专业科学杂志和专业期刊上多以D一作者身份发表学术论文约150余篇。具有首次创性主要研究成果为：首先报道并命名多种新型非线性光学效应； 发现双光子泵浦之反向受激（激光）发射的位相共轭现象（1997年）；对反向受激散射和反向受激发射产生光学位相共轭波的本质给出统一的物理模型解释。自1990年代中期起，以其为首的研究团队，在从事有关多光子非线性光学效应及其应用研究（光学限幅、光学稳定与整形、频率上转换激光发射）方面，处于前沿和领先地位，其标志之一是在国际上首次实现三光子泵浦频率上转换激光发射，其结果首发在Nature 主刊（2002年）。

丛书序前言第1章引论1

1.1非线性光学与非线性光子学的学科定义1

1.1.1线性光学的定义与特点1

1.1.2非线性光学的定义与特点2

1.1.3非线性光子学的学科含义4

1.2描述光辐射场的主要物理参量4

1.2.1光辐射的强度与亮度5

1.2.2光束的空间与时间相干性6

1.2.3光子波型数与光子简并度7

1.3强相干光辐射与物质作用的特点9

1.4描述强相干光与物质作用的两种理论体系11

1.4.1半经典理论11

1.4.2量子电动力学理论12

1.4.3两种理论体系的适用范围15

1.5非线性光学与光子学的应用和科学意义16

参考文献18第2章非线性电极化过程20

2.1光学介质的非线性感应电极化效应20

2.2介质产生感应电极化的物理机制24

2.3非线性电极化率的张量表现形式25

2.4非线性电极化率的基本性质27

2.5非线性电极化作用下的耦合波动方程30

2.6单色光场的复数表示形式33

参考文献35第3章二阶非线性（三波）混频效应36

3.1光学二次谐波效应36

3.1.1二次谐波产生的量子图像描述36

3.1.2二次谐波的半经典理论定量描述38

3.1.3产生二次谐波的工作物质42

3.1.4产生二次谐波的实验装置46

3.2光学和频与差频效应48

3.2.1光学和频效应48

3.2.2光学差频效应49

3.2.3光学和频与差频产生的实验装置50

3.3光学参量放大与振荡效应51

3.3.1光学参量效应51

3.3.2光学参量放大和振荡条件的推导52

3.3.3光学参量放大器和振荡器实验系统55

3.4特殊光学二次谐波产生59

3.4.1产生二次谐波的特殊材料59

3.4.2在表面和交界面产生二次谐波60

参考文献61第4章三阶非线性（四波）混频效应65

4.1四波混频（四光子参量作用）的几种方式65

4.2光学三次谐波的产生68

4.2.1三次谐波效应的非线性电极化理论描述68

4.2.2实现三次谐波相位匹配的方法70

4.2.3三次谐波产生的共振增强72

4.2.4产生三次谐波及和频辐射的介质和装置74

4.3拉曼共振增强的四波混频76

4.3.1相干斯托克斯与反斯托克斯环状辐射的产生76

4.3.2两拉曼差频光束成微小角度入射的情况78

4.4非共振四光子参量作用79

4.4.1部分简并四光子参量作用79

4.4.2简并四光子参量作用82

4.5通过三阶非线性过程产生二次谐波83

4.5.1直流电场导致的二次谐波产生83

4.5.2光纤中的二次谐波产生84

参考文献86第5章强光引起的折射率变化90

5.1线性光学中对折射率的描述90

5.2非线性光学中对折射率的描述92

5.3双光束入射引起的折射率变化94

5.4双光子共振引起的折射率增强变化95

5.5拉曼共振引起的折射率增强变化98

5.6折射率感应变化的物理机制99

5.6.1引起折射率变化的不同物理机制99

5.6.2分子再取向克尔效应引起折射率变化的表达式101

5.6.3电致伸缩效应导致的折射率变化表达式103

5.6.4感应折射率变化的时间特性104

5.7二阶非线性电极化过程导致的折射率耦合变化（光频泡克耳斯

效应）107

参考文献112第6章强光自聚焦、自相位调制与光谱自加宽114

6.1强光自聚焦的基本理论114

6.1.1自聚焦现象概述114

6.1.2光束自陷的感应波导模型117

6.1.3稳态自聚焦解析理论118

6.1.4稳态自聚焦焦距的半经验公式123

6.1.5动态自聚焦描述124

6.2自聚焦的直接观测实验125

6.2.1自聚焦光束多焦点结构的直接观测125

6.2.2对超短脉冲产生多焦点自聚焦行为的模拟数值计算131

6.3强光脉冲的自相位调制和频率啁啾效应134

6.4强光脉冲的光谱自加宽效应137

6.4.1准单色强光脉冲自调制导致的光谱自加宽137

6.4.2多频率组分脉冲拍频调制导致的光谱自加宽139

6.5相干连续谱白光辐射142

6.5.1超短强光脉冲产生相干连续谱白光辐射142

6.5.2用纳秒激光脉冲产生相干连续谱白光辐射147

6.5.3相干连续谱白光辐射的应用151

参考文献151第7章强相干光受激散射效应155

7.1光的散射现象155

7.1.1光的散射现象的起因155

7.1.2光的散射现象的分类156

7.1.3光的受激散射与普通（自发）散射间的区别159

7.2受激拉曼散射161

7.2.1拉曼散射过程的量子理论图像161

7.2.2拉曼散射过程的量子理论定量描述163

7.2.3自发和受激拉曼散射概率表达式169

7.2.4受激拉曼散射增益系数和阈值条件171

7.2.5受激拉曼散射增益系数的半经典理论推导174

7.3受激拉曼散射实验规律177

7.3.1实验装置和散射介质177

7.3.2受激拉曼散射过程中的四波混频179

7.3.3拉曼共振增强的自聚焦效应185

7.4自旋反转、电子、纯转动跃迁受激拉曼散射189

7.4.1自旋反转受激拉曼散射189

7.4.2电子跃迁受激拉曼散射193

7.4.3纯转动跃迁受激拉曼散射196

7.5受激布里渊散射效应197

7.5.1自发和受激布里渊散射的物理图像197

7.5.2强光与介质感应声波场的相互作用199

7.5.3受激布里渊散射的增益与阈值202

7.5.4受激布里渊散射的实验研究207

7.6受激克尔散射效应214

7.6.1有关液体中光频再取向克尔效应的背景知识214

7.6.2受激瑞利翼散射215

7.6.3超宽带受激散射现象的发现216

7.6.4克尔散射的物理模型218

7.6.5克尔散射的截面220

7.6.6受激克尔散射的增益和阈值条件224

7.6.7实验结果与理论的比较225

7.7受激瑞利布拉格散射效应231

7.7.1效应发现的背景231

7.7.2受激瑞利布拉格散射的物理模型231

7.7.3SRBS产生的阈值条件233

7.7.4SRBS的实验特性235

7.7.5SRBS对泵浦光谱线宽度的要求239

7.8受激米氏散射效应241

7.8.1效应发现的背景和产生机理241

7.8.2半导体纳米颗粒悬浮液中SMS实验242

7.8.3金属纳米颗粒悬浮液中SMS实验244

参考文献248第8章光学相位共轭效应256

8.1相位共轭波的定义和功用256

8.1.1光学相位共轭技术的产生背景256

8.1.2相位共轭波的定义257

8.1.3相位共轭波的特殊功用258

8.2利用四波和三波混频产生相位共轭波260

8.2.1利用简并四波混频产生后向共轭波260

8.2.2简并四波混频产生后向共轭波的两种物理解释263

8.2.3利用部分简并四波混频产生后向共轭波265

8.2.4利用四波混频产生前向共轭波266

8.2.5利用三波混频产生前向共轭波268

8.3利用四波混频产生相位共轭波的实验研究270

8.3.1简并四波混频产生后向共轭波270

8.3.2部分简并四波混频产生后向共轭波274

8.4利用后向受激散射产生相位共轭波276

8.4.1后向受激散射相位共轭特性的实验发现276

8.4.2后向受激散射相位共轭特性的实验表征277

8.4.3后向受激散射具有相位共轭特性的物理解释282

8.4.4后向受激散射相位共轭特性的数学描述284

8.5利用后向激光发射产生相位共轭波287

8.5.1后向激光发射相位共轭特性的发现和物理解释287

8.5.2后向激光发射相位共轭特性的实验特征289

8.6光学相位共轭技术的应用293

8.6.1相位共轭技术的多种应用293

8.6.2相位共轭技术在高速率和远距离光纤通信系统中的

应用296

参考文献304第9章非线性与超高分辨光谱学312

9.1限制光谱分辨率的因素312

9.1.1传统光谱术与新型激光非线性光谱术312

9.1.2影响光谱分辨率的各种因素313

9.2饱和吸收光谱学效应318

9.2.1效应概述318

9.2.2基本理论考虑321

9.2.3实验研究简述323

9.2.4交叉耦合饱和吸收光谱效应328

9.3消多普勒加宽双光子吸收光谱学效应330

9.3.1效应概述330

9.3.2有关2PA的半经典理论描述332

9.3.3有关实验结果334

9.4相干拉曼和四波混频光谱学效应337

9.4.1效应概述337

9.4.2相干反斯托克斯拉曼光谱学效应338

9.4.3拉曼感应克尔效应光谱学效应344

9.4.4拉曼增益光谱学和反拉曼光谱学效应346

9.5激光偏振光谱学效应349

9.5.1效应概述349

9.5.2消多普勒加宽饱和吸收偏振光谱学效应349

9.5.3偏振CARS光谱学效应352

9.5.4偏振标定分子光谱学效应354

9.6激光冷却与陷俘光谱术356

9.6.1激光冷却与陷俘的原理356

9.6.2激光冷却与陷俘的技术358

9.6.3获得超高光谱分辨率的实验结果360

参考文献363第10章瞬态相干光学效应370

10.1瞬态相干作用的定义和特点370

10.2自感透明效应372

10.2.12π脉冲的定义和自感透明372

10.2.22π脉冲的形状和速度375

10.2.3自感透明的实验378

10.3光子回波效应381

10.3.1光子回波现象381

10.3.2光子回波的理论描述383

10.3.3光子回波的实验388

10.4光学章动效应391

10.4.1现象概述391

10.4.2布劳赫方程的建立392

10.4.3瞬态相干辐射场方程396

10.4.4光学章动的实验研究398

10.5光学自由感应衰减效应401

10.5.1效应表现和数学描述401

10.5.2光学自由感应衰减实验研究403

参考文献405第11章光学双稳态效应与器件411

11.1非线性FP干涉仪411

11.1.1光学双稳态研究的背景411

11.1.2光学双稳装置的稳态理论考虑412

11.1.3非线性FP装置的动态响应特性416

11.2光学双稳态的实验设计417

11.2.1入射光束空间和光谱结构的影响417

11.2.2双稳态实验的典型设置419

11.3光学双稳态的实验研究420

11.3.1光学双稳态效应的早期观测420

11.3.2用于光学双稳态实验的非线性材料422

11.3.3半导体双稳态装置424

11.3.4光波导双稳态装置425

11.3.5基于光热机制的瞬态双稳态效应428

11.4光学双稳性研究的新进展430

参考文献436第12章光学时间孤子440

12.1形成时间孤子的条件440

12.1.1群速度和群速度色散440

12.1.2石英玻璃光纤的折射率和群速度色散441

12.1.3在非线性介质中GVD效应和自相位调制效应之间的

平衡443

12.2时间孤子的基本性质445

12.2.1非线性色散介质中光传输满足的波动方程445

12.2.2光纤系统中非线性波动方程的时间孤子解446

12.2.3光纤中产生时间孤子效应的实验证明448

12.2.4在n2<0并具有正GVD的介质中孤子型脉冲的形成

449

12.2.5时间孤子在光纤中的长距离传输450

12.3时间孤子的自变窄和自频移效应452

12.3.1高阶时间孤子在经过短光纤后的自变窄效应452

12.3.2由拉曼增益引起的时间孤子的自频移效应454

12.4光纤孤子激光器456

12.4.1时间孤子激光器的工作原理456

12.4.2孤子激光器的初始设计457

12.4.3稀土离子掺杂光纤孤子激光器458

12.4.4光纤拉曼孤子激光器461

参考文献463第13章光学空间孤子467

13.1光学空间孤子的定义467

13.2空间亮孤子的产生468

13.2.1产生空间亮孤子的物理机制468

13.2.2空间亮孤子在三阶非线性介质中的形成469

13.2.3空间亮孤子在二阶非线性介质中的形成470

13.2.4空间亮孤子在液晶介质中的形成472

13.2.5空间亮孤子在光折变介质中的形成474

13.2.6螺旋行进空间亮孤子的形成476

13.3空间暗孤子的形成477

13.3.1空间暗孤子形成的物理机制477

13.3.2产生空间暗孤子的实验478

13.4空间孤子的相互作用及应用482

13.4.1空间孤子相互作用概述482

13.4.2在三阶非线性介质中空间孤子的相互作用483

13.4.3在二阶非线性晶体中空间孤子的相互作用485

13.4.4在光折变介质中的空间孤子相互作用486

参考文献488第14章多光子非线性光子学技术493

14.1多光子吸收过程493

14.1.1多光子吸收研究概述493

14.1.2多光子吸收的物理机制495

14.1.3辐射量子理论有关多光子吸收的定量表述497

14.1.4强光束在介质中传播时的衰减公式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多光子吸收材料的种类504

14.3多光子吸收介质的非线性光学特性507

14.3.1多光子激发波长的选择507

14.3.2离散波长双（多）光子吸收截面测量508

14.3.3影响吸收截面测量结果的诸因素509

14.3.4双（多）光子吸收光谱分布的测量513

14.3.5双（多）光子吸收导致的荧光发射特性517

14.4多光子泵浦激发发射519

14.4.1多光子泵浦激光发射技术概述519

14.4.2双光子泵浦激光发射实验521

14.4.3多光子泵浦激光发射实验524

14.5基于多光子吸收的光学限幅、稳定与整形527

14.5.1基于多光子吸收的光学限幅527

14.5.2基于多光子吸收的光学稳定和时空整形532

14.6基于多光子吸收的光学三维数据存储与微制造537

14.6.1采用多光子吸收介质记录光学信息的特点537

14.6.2采用双光子吸收介质的3D光存储实验540

14.6.3基于双光子聚合原理的3D光学微制作542

参考文献544第15章非线性光电效应553

15.1光电效应简介553

15.1.1单光子光电发射效应553

15.1.2固体的电子能带结构554

15.1.3单光子激发半导体的光电导行为555

15.1.4金属表面附近电子的镜像电势态555

15.2多光子光电发射效应557

15.2.1多光子光电发射的早期观察557

15.2.2共振增强的多光子激发光电发射558

15.2.3洁净或吸附金属表面的多光子光电发射研究561

15.3多光子光电导效应564

15.3.1多光子诱导光电导性的机制564

15.3.2半导体与绝缘介质中多光子诱导光电导特性的研究

565

15.3.3基于多光子光电导机制的半导体光谱研究566

15.3.4基于多光子光电导元件的超短激光脉冲的自相关测量

568

参考文献572第16章快光与慢光传输577

16.1光速577

16.1.1连续单色光的相速度577

16.1.2准单色光脉冲的构成特点578

16.1.3准单色光脉冲的群速度和群折射率580

16.2在共振介质中的群速度581

16.2.1吸收介质的复折射率582

16.2.2吸收介质的群折射率585

16.2.3光脉冲在吸收介质中的群速度585

16.2.4光脉冲在增益介质中的群速度587

16.3共振介质中的快/慢光传播589

16.3.1共振介质中光脉冲的传播特性589

16.3.2光的传播与物理学中因果关系和狭义相对论的关系

591

16.3.3折射率色散与吸收或增益系数的关系592

16.3.4实现快光和慢光传输的方法593

16.4快光传输的实验研究595

16.4.1线性吸收介质内的快光传输595

16.4.2在双增益线介质内的快光传输596

16.4.3在诱导吸收介质中的快光传输599

16.4.4快光介质中脉冲峰值的向后移动600

16.5慢光传输的实验研究602

16.5.1基于电磁诱导透明的慢光传输602

16.5.2基于吸收饱和的慢光传输606

16.5.3光脉冲在EIT介质中的暂停与再生效应608

16.5.4拉曼增益介质中慢光效应610

16.5.5布里渊增益介质中的慢光效应612

16.5.6半导体放大器或光纤放大器中的慢（快）光效应614

参考文献616第17章太赫兹非线性光学620

17.1用光学整流与差频方法产生相干太赫兹辐射620

17.1.1在二阶非线性晶体内产生太赫兹辐射的原理620

17.1.2在二阶非线性介质内产生太赫兹脉冲发射的实验研究

623

17.1.3在等离子体中通过四波混频方法产生太赫兹辐射625

17.2检测太赫兹辐射的非线性光学方法626

17.2.1通过电光取样检测太赫兹辐射626

17.2.2通过四波混频检测太赫兹辐射628

17.3强太赫兹场的非线性光学应用631

17.3.1强太赫兹脉冲通过泡克耳斯效应引起的非线性相位

调制631

17.3.2强太赫兹脉冲通过克尔效应引起的非线性折射率变化

636

17.3.3强太赫兹场在半导体内引起的非线性吸收637

参考文献638第18章非线性电极化率的详尽理论641

18.1密度矩阵和相互作用能641

18.1.1密度矩阵的基本方程641

18.1.2相互作用能的多极矩展开643

18.2各阶电极化率的密度矩阵方法求解646

18.2.1密度矩阵方程的逐次求解646

18.2.2各阶电极化率张量元的解析表达式649

18.3非线性电极化率的主要性质654

18.3.1局部场修正654

18.3.2空间对称性656

18.3.3互换对称性和时间反演对称性659

18.4非线性电极化率的共振增强性质662

18.4.1共振增强效应概述662

18.4.2一阶和二阶电极化率共振增强效应663

18.4.3三阶电极化率的单光子共振增强664

18.4.4三阶电极化率的双光子和频共振增强664

18.4.5三阶电极化率的双光子差频共振增强665

18.5非线性电极化率量子力学表达式的适用性667

参考文献669附录671

附录1用于非线性光学的物理常数671

附录2数值估算和单位制转换672

附录3晶体和其他介质的线性电极化率张量元674

附录4晶体的二阶非线性电极化率张量元675

附录5晶体产生二次谐波的非线性电极化率张量元677

附录6晶体和其他介质的三阶电极化率张量元680

附录7晶体和其他介质的核贡献三阶电极化率张量元683

附录82π脉冲自感透明的公式推导686索引688