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1、教材：非线性光学物理 叶佩弦 著 参考书目： 1、强光光学及其应用 刘颂豪 赫光生 著 2、非线性光学原理 沈元壤 著 顾世杰 译 3、非线性光学 石顺祥 陈国夫 赵卫 刘继芳 编著 4、非线性光学 李淳飞 著 5、高等光学教程 季家镕 冯莹 编著,课程主要内容,绪论 非线性电极化过程和耦合波的基础知识 光学倍频效应/ 和频、差频效应（三波混 频）/光学参量振荡和放大效应 四波混频/ 光学相位共轭 第五章 光学克尔效应/ 光束自聚焦/ 自相位调制/ 光学双稳态效应 第六章 受激拉曼散射/ 受激布里渊散射,非线性的概念来源,线性相应和非线性响应 描述物理量之间的联系 变化关系 认知逻辑的“惰性”
2、 对变换关系的简单 理解 总希望找到 线性关系 在进一步深化认识的过程中， 又意识到非线性的存在,线性响应,非线性响应,非线性科学,非线性科学，目前有六个主要研究领域，即： 混沌 (Chaos) 孤子波（Soliton） 分形（Fractal） 模式形成（Pattern formation） 元胞自动机（Cellular automata） 复杂系统 (Complex system),线性和非线性 (数学和物理上),目前发展起来的非线性物理学科包括：* 非线性光学（Nonlinear Optics） * 非线性声学 （Nonlinear Acoustics） * 非线性动力学 （Nonline
3、ar Dynamics） * 量子混沌 (Quantum Chaos) ,非线性光学 绪 论,研究范畴,极化响应过程,辐射过程,非线性光学是研究强光与物质相互作用过程中出现的各种新现象和新效应,绪 论 非线性光的学的基本体系,极化 极化对电场的响应 非线性响应 极化的宏观描述,光学非线性响应-极化,光学非线性响应-原子、分子的非线性响应,光与物质相互作用的线性描述已不能满足需求,极化强度的非线性表达,诞生 适用范围 发展阶段 特点,绪 论 非线性光学的历史,非线性光学的诞生,最早的光学二次谐波产生 1961年Franken,在非线性晶体中，如果注入的泵浦光足够强，就会发生一系列的非线性效应。,
4、非/线性描述的适用范围,弱光下， ，二阶以上非线性极化强度可忽略 强光下， ，二阶以上非线性极化强度不可忽略,由非线性光学理论可以证明,学科特点,激光技术催生非线性光学的出现并推动了其发展。,线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性叠加原理,非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不成立,非线性光学过程的能量、动量条件,发展历史（三阶段）,1）非线性光学的早期10年 （1961-1970）,1961，红宝石激光倍频(SHG) （标志非线性光学真正诞生）
5、,随后发现了几种非线性光学的基本现象和各种瞬态光学效应： 和频、差频、参量振荡； 受激拉曼散射、受激布里渊散射、相干（反）斯托克斯；光子回波、光学章动、光学自感生透明；自聚焦、自相位调制、光学相位共轭,1965年，Bloembergen等人出版Nonlinear Optical phenomena一书，基本建立了以非线性介质极化和耦合波方程组为基础的非线性光学理论,2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990）,3）非线性光学研究的未来发展趋势,一、最常见的频率变换模型,针对掺Nd3+的 4F3/24I11/2 跃迁，发射波长在1060nm左右 1+1=21 ，得到2倍频绿光 SHG
6、 1+21=31，得到3倍频紫外光 SHG+SFG=THG,3. 倍频激光器的结构,常见的非线性效应,典型的二阶非线性效应 光学二次谐波（倍频），和频，差频，光参量振荡/放大,典型的三阶阶非线性效应 光学三次谐波（直接三次谐波），光学克尔效应及自聚焦、自散焦，受激拉曼散射、受激布里渊散射、四波混频,瞬态相干光学效应 光学章动、光学回波和自感应透明等由短脉冲激光与介质相互作用产生的瞬态效应,非线性光学的主要机制,电子的贡献 电子云的畸变 电子能级布局数的改变 分子的振动与转动 分子的重新取向与重新分布 电致伸缩 热效应,非线性光学的应用价值和科学意义,1）提供了产生强相干光辐射并扩展其波段的新手
7、段；,2）解决激光技术本身提出的一些课题；,5）是促进基础理论发展的一种动力。,for development of methods to cool and trap atoms with laser light,1997年诺贝尔物理奖得主 Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips,Stanford University Stanford, CA, USA,Collge de France; cole Normale Suprieure Paris, France,National Institute of Standard
8、s and Technology Gaithersburg, MD, USA,Rings on the water Over a hundred research groups are now working on laser cooling. Many applications have been tried such as Bose-Einstein condensation（2001诺贝尔物理学奖）, atom optics, atom interferometry, atom clocks, optical lattices, optical tweezers, atom lasers
9、, high-resolution spectroscopy and fundamental investigations of the interaction between light and matter.,Steven Chu “指挥原子跳舞的人”,for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates,2001年诺贝尔物理奖得主,Eri
10、c A. Cornell (USA),Wolfgang Ketterle (Germany),Carl E. Wieman (USA),杨振宁说：”虽然朱等3人没有做这种奇特的BEC现象，但却为BEC的工作铺了路。“激光冷却技术的发明直接导致了玻色-爱因斯坦凝聚这一著名理论论断的实验验证, 这成为20世纪末物理学的重大突破之一。,2005年诺贝尔物理奖得主 霍尔 (J.L. Hall)、汉什 (T.W. Hnsch)和葛劳柏（Roy J. Glauber）,美国科学家约翰-霍尔 德国科学家汉什 美国科学家葛劳柏,for his contribution to the quantum theor
11、y of optical coherence,for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique,原子冷却与BEC,BEC、超导与宏观量子态,BEC的性质,内部无阻力（激光、超导） 传播电子对波，形成宏观电流，无需电压 原子几乎不动（原子钟）,BEC的其它“亲戚”,超流体氦：2.2K He原子BEC 液体流动无粘度 超导体：电子对 BEC 无电阻 激光：所有光子处于同一量子态 激子：空穴电子
12、对 Cu2O出现短寿命气态凝聚,激光制冷,多普勒冷却,多普勒冷却,A collection of sodium atoms (yellow dot in middle of picture) trapped in a MOT（Magnetic-Optical Trap）.,A,采用可调激光技术控制激光频率,Doppler Cooling,B,偏振梯度冷却,A collection of sodium atoms (yellow dot in middle of picture) trapped in a MOT（Magnetic-Optical Trap）.,A,采用可调激光技术控制激光频率,
13、Doppler Cooling,B,for development of methods to cool and trap atoms with laser light,1997年诺贝尔物理奖得主 Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips,Stanford University Stanford, CA, USA,Collge de France; cole Normale Suprieure Paris, France,National Institute of Standards and Technology Gaith
14、ersburg, MD, USA,2005年诺贝尔物理奖得主 霍尔 (J.L. Hall)、汉什 (T.W. Hnsch)和葛劳柏（Roy J. Glauber）,美国科学家约翰-霍尔 德国科学家汉什 美国科学家葛劳柏,for his contribution to the quantum theory of optical coherence,for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique,光梳测量光频的基本原理,光子晶体,飞秒激光光频梳精确测量光频的重要意义：,1. 解决了光谱学中需要测量光频（1014Hz）的百年难题；,2. 有利于发展精确计时的原子钟；,5. 可以用于检测反物质（如反氢原子）与正物质的光谱是否有差别；,.,3. 有利于提高全球定位系统的精度；,4. 精确测量光梳就有可能检测在空间各个方向上时间是否均匀，从而检测相对论；,