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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

7.7.3 SRBS产生的阈值条件 233

7.7.4 SRBS的实验特性 235

7.7.5 SRBS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

10.2.1 2π脉冲的定义和自感透明 372

10.2.2 2π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F-P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F-P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 多光子吸收材料的利类 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8 2π脉冲自感透明的公式推导 686

索引 688