非線性光學(xué)與光子學(xué)

叢書序前言第1章引論1

1.1非線性光學(xué)與非線性光子學(xué)的學(xué)科定義1

1.1.1線性光學(xué)的定義與特點1

1.1.2非線性光學(xué)的定義與特點2

1.1.3非線性光子學(xué)的學(xué)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(zhì)作用的特點9

1.4描述強相干光與物質(zhì)作用的兩種理論體系11

1.4.1半經(jīng)典理論11

1.4.2量子電動力學(xué)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(xué)與光子學(xué)的應(yīng)用和科學(xué)意義16

參考文獻18第2章非線性電極化過程20

2.1光學(xué)介質(zhì)的非線性感應(yīng)電極化效應(yīng)20

2.2介質(zhì)產(chǎn)生感應(yīng)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(zhì)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(fù)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(yīng)36

3.1光學(xué)二次諧波效應(yīng)36

3.1.1二次諧波產(chǎn)生的量子圖像描述36

3.1.2二次諧波的半經(jīng)典理論定量描述38

3.1.3產(chǎn)生二次諧波的工作物質(zhì)42

3.1.4產(chǎn)生二次諧波的實驗裝置46

3.2光學(xué)和頻與差頻效應(yīng)48

3.2.1光學(xué)和頻效應(yīng)48

3.2.2光學(xué)差頻效應(yīng)49

3.2.3光學(xué)和頻與差頻產(chǎn)生的實驗裝置50

3.3光學(xué)參量放大與振蕩效應(yīng)51

3.3.1光學(xué)參量效應(yīng)51

3.3.2光學(xué)參量放大和振蕩條件的推導(dǎo)52

3.3.3光學(xué)參量放大器和振蕩器實驗系統(tǒng)55

3.4特殊光學(xué)二次諧波產(chǎn)生59

3.4.1產(chǎn)生二次諧波的特殊材料59

3.4.2在表面和交界面產(chǎn)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(yīng)65

4.1四波混頻（四光子參量作用）的幾種方式65

4.2光學(xué)三次諧波的產(chǎn)生68

4.2.1三次諧波效應(yīng)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(chǎn)生的共振增強72

4.2.4產(chǎn)生三次諧波及和頻輻射的介質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)生二次諧波83

4.5.1直流電場導(dǎo)致的二次諧波產(chǎn)生83

4.5.2光纖中的二次諧波產(chǎn)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(xué)中對折射率的描述90

5.2非線性光學(xué)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(yīng)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(yīng)引起折射率變化的表達式101

5.6.3電致伸縮效應(yīng)導(dǎo)致的折射率變化表達式103

5.6.4感應(yīng)折射率變化的時間特性104

5.7二階非線性電極化過程導(dǎo)致的折射率耦合變化（光頻泡克耳斯

效應(yīng)）107

參考文獻112第6章強光自聚焦、自相位調(diào)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(yīng)波導(dǎo)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(jīng)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(jié)構(gòu)的直接觀測125

6.2.2對超短脈沖產(chǎn)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(diào)制和頻率啁啾效應(yīng)134

6.4強光脈沖的光譜自加寬效應(yīng)137

6.4.1準單色強光脈沖自調(diào)制導(dǎo)致的光譜自加寬137

6.4.2多頻率組分脈沖拍頻調(diào)制導(dǎo)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(chǎn)生相干連續(xù)譜白光輻射142

6.5.2用納秒激光脈沖產(chǎn)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(yīng)用151

參考文獻151第7章強相干光受激散射效應(yīng)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(jīng)典理論推導(dǎo)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(zhì)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(yīng)185

7.4自旋反轉(zhuǎn)、電子、純轉(zhuǎn)動躍遷受激拉曼散射189

7.4.1自旋反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動躍遷受激拉曼散射196

7.5受激布里淵散射效應(yīng)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(zhì)感應(yīng)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(yīng)214

7.6.1有關(guān)液體中光頻再取向克爾效應(yīng)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(jié)果與理論的比較225

7.7受激瑞利布拉格散射效應(yīng)231

7.7.1效應(yīng)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(chǎn)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(yīng)241

7.8.1效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的背景和產(chǎn)生機理241

7.8.2半導(dǎo)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(xué)相位共軛效應(yīng)256

8.1相位共軛波的定義和功用256

8.1.1光學(xué)相位共軛技術(shù)的產(chǎn)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(chǎn)生相位共軛波260

8.2.1利用簡并四波混頻產(chǎn)生后向共軛波260

8.2.2簡并四波混頻產(chǎn)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(chǎn)生后向共軛波265

8.2.4利用四波混頻產(chǎn)生前向共軛波266

8.2.5利用三波混頻產(chǎn)生前向共軛波268

8.3利用四波混頻產(chǎn)生相位共軛波的實驗研究270

8.3.1簡并四波混頻產(chǎn)生后向共軛波270

8.3.2部分簡并四波混頻產(chǎn)生后向共軛波274

8.4利用后向受激散射產(chǎn)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(xué)描述284

8.5利用后向激光發(fā)射產(chǎn)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(xué)相位共軛技術(shù)的應(yīng)用293

8.6.1相位共軛技術(shù)的多種應(yīng)用293

8.6.2相位共軛技術(shù)在高速率和遠距離光纖通信系統(tǒng)中的

應(yīng)用296

參考文獻304第9章非線性與超高分辨光譜學(xué)312

9.1限制光譜分辨率的因素312

9.1.1傳統(tǒng)光譜術(shù)與新型激光非線性光譜術(shù)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(xué)效應(yīng)318

9.2.1效應(yīng)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(yīng)328

9.3消多普勒加寬雙光子吸收光譜學(xué)效應(yīng)330

9.3.1效應(yīng)概述330

9.3.2有關(guān)2PA的半經(jīng)典理論描述332

9.3.3有關(guān)實驗結(jié)果334

9.4相干拉曼和四波混頻光譜學(xué)效應(yīng)337

9.4.1效應(yīng)概述337

9.4.2相干反斯托克斯拉曼光譜學(xué)效應(yīng)338

9.4.3拉曼感應(yīng)克爾效應(yīng)光譜學(xué)效應(yīng)344

9.4.4拉曼增益光譜學(xué)和反拉曼光譜學(xué)效應(yīng)346

9.5激光偏振光譜學(xué)效應(yīng)349

9.5.1效應(yīng)概述349

9.5.2消多普勒加寬飽和吸收偏振光譜學(xué)效應(yīng)349

9.5.3偏振CARS光譜學(xué)效應(yīng)352

9.5.4偏振標定分子光譜學(xué)效應(yīng)354

9.6激光冷卻與陷俘光譜術(shù)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(shù)358

9.6.3獲得超高光譜分辨率的實驗結(jié)果360

參考文獻363第10章瞬態(tài)相干光學(xué)效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)章動效應(yīng)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(xué)章動的實驗研究398

10.5光學(xué)自由感應(yīng)衰減效應(yīng)401

10.5.1效應(yīng)表現(xiàn)和數(shù)學(xué)描述401

10.5.2光學(xué)自由感應(yīng)衰減實驗研究403

參考文獻405第11章光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)與器件411

11.1非線性FP干涉儀411

11.1.1光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)研究的背景411

11.1.2光學(xué)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(yīng)特性416

11.2光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的實驗設(shè)計417

11.2.1入射光束空間和光譜結(jié)構(gòu)的影響417

11.2.2雙穩(wěn)態(tài)實驗的典型設(shè)置419

11.3光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的實驗研究420

11.3.1光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的早期觀測420

11.3.2用于光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)實驗的非線性材料422

11.3.3半導(dǎo)體雙穩(wěn)態(tài)裝置424

11.3.4光波導(dǎo)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(yīng)428

11.4光學(xué)雙穩(wěn)性研究的新進展430

參考文獻436第12章光學(xué)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(zhì)中GVD效應(yīng)和自相位調(diào)制效應(yīng)之間的

平衡443

12.2時間孤子的基本性質(zhì)445

12.2.1非線性色散介質(zhì)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(chǎn)生時間孤子效應(yīng)的實驗證明448

12.2.4在n2<0并具有正GVD的介質(zhì)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(yīng)452

12.3.1高階時間孤子在經(jīng)過短光纖后的自變窄效應(yīng)452

12.3.2由拉曼增益引起的時間孤子的自頻移效應(yīng)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(shè)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(xué)空間孤子467

13.1光學(xué)空間孤子的定義467

13.2空間亮孤子的產(chǎn)生468

13.2.1產(chǎn)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(zhì)中的形成469

13.2.3空間亮孤子在二階非線性介質(zhì)中的形成470

13.2.4空間亮孤子在液晶介質(zhì)中的形成472

13.2.5空間亮孤子在光折變介質(zhì)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(chǎn)生空間暗孤子的實驗478

13.4空間孤子的相互作用及應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(xué)技術(shù)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(guān)多光子吸收的定量表述497

14.1.4強光束在介質(zhì)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(zhì)的非線性光學(xué)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(jié)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(dǎo)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(shù)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(xué)限幅、穩(wěn)定與整形527

14.5.1基于多光子吸收的光學(xué)限幅527

14.5.2基于多光子吸收的光學(xué)穩(wěn)定和時空整形532

14.6基于多光子吸收的光學(xué)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(zhì)記錄光學(xué)信息的特點537

14.6.2采用雙光子吸收介質(zhì)的3D光存儲實驗540

14.6.3基于雙光子聚合原理的3D光學(xué)微制作542

參考文獻544第15章非線性光電效應(yīng)553

15.1光電效應(yīng)簡介553

15.1.1單光子光電發(fā)射效應(yīng)553

15.1.2固體的電子能帶結(jié)構(gòu)554

15.1.3單光子激發(fā)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)效應(yīng)564

15.3.1多光子誘導(dǎo)光電導(dǎo)性的機制564

15.3.2半導(dǎo)體與絕緣介質(zhì)中多光子誘導(dǎo)光電導(dǎo)特性的研究

565

15.3.3基于多光子光電導(dǎo)機制的半導(dǎo)體光譜研究566

15.3.4基于多光子光電導(dǎo)元件的超短激光脈沖的自相關(guān)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(gòu)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(zhì)中的群速度581

16.2.1吸收介質(zhì)的復(fù)折射率582

16.2.2吸收介質(zhì)的群折射率585

16.2.3光脈沖在吸收介質(zhì)中的群速度585

16.2.4光脈沖在增益介質(zhì)中的群速度587

16.3共振介質(zhì)中的快/慢光傳播589

16.3.1共振介質(zhì)中光脈沖的傳播特性589

16.3.2光的傳播與物理學(xué)中因果關(guān)系和狹義相對論的關(guān)系

591

16.3.3折射率色散與吸收或增益系數(shù)的關(guān)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(zhì)內(nèi)的快光傳輸595

16.4.2在雙增益線介質(zhì)內(nèi)的快光傳輸596

16.4.3在誘導(dǎo)吸收介質(zhì)中的快光傳輸599

16.4.4快光介質(zhì)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(dǎo)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(zhì)中的暫停與再生效應(yīng)608

16.5.4拉曼增益介質(zhì)中慢光效應(yīng)610

16.5.5布里淵增益介質(zhì)中的慢光效應(yīng)612

16.5.6半導(dǎo)體放大器或光纖放大器中的慢（快）光效應(yīng)614

參考文獻616第17章太赫茲非線性光學(xué)620

17.1用光學(xué)整流與差頻方法產(chǎn)生相干太赫茲輻射620

17.1.1在二階非線性晶體內(nèi)產(chǎn)生太赫茲輻射的原理620

17.1.2在二階非線性介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)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(chǎn)生太赫茲輻射625

17.2檢測太赫茲輻射的非線性光學(xué)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(xué)應(yīng)用631

17.3.1強太赫茲脈沖通過泡克耳斯效應(yīng)引起的非線性相位

調(diào)制631

17.3.2強太赫茲脈沖通過克爾效應(yīng)引起的非線性折射率變化

636

17.3.3強太赫茲場在半導(dǎo)體內(nèi)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(zhì)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(zhì)662

18.4.1共振增強效應(yīng)概述662

18.4.2一階和二階電極化率共振增強效應(yīng)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(xué)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(xué)的物理常數(shù)671

附錄2數(shù)值估算和單位制轉(zhuǎn)換672

附錄3晶體和其他介質(zhì)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(chǎn)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(zhì)的三階電極化率張量元680

附錄7晶體和其他介質(zhì)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(dǎo)686索引688