非线性光学 原理和应用PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 非线性光学的重要性 1

1.1.1 非线性光学在现代物理学中的地位 1

1.1.2 非线性光学在现代光学中的地位 1

1.1.3 非线性光学是光子学技术的基础 2

1.2 非线性光学的物理含义 4

1.2.1 非线性光学是与介质的高阶极化有关的现象 4

1.2.2 非线性光学是介质对光场非线性响应的现象 5

1.2.3 非线性光学是介质的光学参量与光场有关的现象 6

1.3 非线性光学的研究内容 7

1.3.1 典型的非线性光学效应 7

1.3.2 两类非线性光学效应 12

1.3.3 非线性光学材料 12

1.4 非线性光学的发展 13

1.4.1 非线性光学的发展简史 13

1.4.2 非线性光学的发展趋势 15

1.5 非线性光学的应用 16

1.5.1 非线性光学在激光技术中的应用 16

1.5.2 非线性光学在信息技术中的应用 17

1.5.3 非线性光学在材料技术中的应用 17

第2章 非线性介质的极化理论 22

2.1 非线性介质的波动方程 22

2.1.1 非线性介质的麦克斯韦方程 22

2.1.2 各向异性非线性介质的时域波方程 24

2.1.3 各向同性非线性介质的时域波方程 24

2.1.4 各向异性非线性介质的频域波方程 25

2.1.5 各向同性非线性介质的频域波方程 26

2.2 非线性介质的极化强度与极化率 28

2.2.1 极化强度与极化率的频域表达式 28

2.2.2 极化强度的简并因子 31

2.2.3 极化率张量的对称性 33

2.3 非线性极化率的实部与虚部 36

2.3.1 极化率的实部与虚部间的关系（K-K关系） 36

2.3.2 极化率实部和虚部的物理意义 37

2.3.3 非线性折射率与非线性吸收系数间的关系 40

附录A K-K关系的推导 40

附录B 两种单位制 42

第3章 光学三波耦合过程 45

3.1 三波耦合方程 45

3.1.1 二阶非线性光学效应综述 45

3.1.2 各向异性介质二阶非线性光学效应的近似描述 46

3.2 光学二次谐波 50

3.2.1 基波小信号近似 51

3.2.2 基波高消耗情况 53

3.2.3 相位匹配技术 55

3.2.4 产生二次谐波的实验装置 60

3.3 光学和频、差频和参量放大 61

3.3.1 光学和频与频率上转换 61

3.3.2 光学差频与频率下转换 65

3.3.3 光学参量放大 68

3.3.4 4种三波混频过程比较与实验装置 69

3.4 光学参量振荡器 71

3.4.1 光学参量振荡的阈值方程 71

3.4.2 双共振光学参量振荡器 73

3.4.3 单共振光学参量振荡器 75

第4章 光学四波耦合过程 78

4.1 三阶非线性光学效应综述 78

4.2 光学三次谐波与光学四波混频 79

4.2.1 光学三次谐波 79

4.2.2 光学四波混频 81

4.2.3 简并光学四波混频 83

4.3 光学相位共轭 84

4.3.1 光学相位共轭的定义与特性 84

4.3.2 四波混频过程的光学相位共轭 86

4.3.3 光学相位共轭的应用 91

第5章 光克尔效应与自聚焦 95

5.1 光克尔效应 95

5.1.1 自相位调制光克尔效应 96

5.1.2 交叉相位调制光克尔效应 99

5.1.3 光克尔效应的光致双折射作用 101

5.2 光束的自聚焦 104

5.2.1 稳态自聚焦 104

5.2.2 动态自聚焦 111

5.2.3 基于自聚焦的自相位调制 116

5.3 非线性参量的Z扫描测量法 119

5.3.1 Z扫描测量的实验方法 119

5.3.2 Z扫描测量的理论计算 121

5.3.3 其他Z扫描技术 126

第6章 受激辐射光散射 131

6.1 光散射概述 131

6.1.1 光散射的分类 131

6.1.2 受激辐射光散射的特性 133

6.2 受激拉曼散射 134

6.2.1 受激拉曼散射的物理图像 134

6.2.2 受激拉曼散射的经典理论 137

6.2.3 受激拉曼散射的实验 143

6.3 受激布里渊散射 144

6.3.1 受激布里渊散射的物理图像 144

6.3.2 受激布里渊散射的经典理论 146

6.3.3 受激布里渊散射的实验 150

第7章 非线性光吸收与光折射 155

7.1 单光子吸收与双光子吸收 155

7.1.1 单光子吸收与双光子吸收概述 155

7.1.2 单光子非线性光吸收 157

7.1.3 双光子非线性光吸收 159

7.1.4 半导体的双光子吸收与折射率变化 162

7.2 饱和吸收和反饱和吸收 167

7.2.1 饱和吸收的能级模型 167

7.2.2 饱和吸收与三阶非线性吸收的关系 172

7.2.3 反饱和吸收能级模型 173

7.2.4 反饱和吸收在光限制器中的应用 179

7.3 饱和折射与反饱和折射 180

7.3.1 饱和折射与反饱和折射的描述 180

7.3.2 非线性折射系数正负的物理意义 183

第8章 光学双稳性及其不稳定性 187

8.1 光学双稳性概述 187

8.1.1 光学双稳性的基本概念 187

8.1.2 光学双稳器件的分类 189

8.2 光学双稳器件 191

8.2.1 全光型光学双稳器件原理 191

8.2.2 电光混合型光学双稳器件原理 201

8.2.3 光学双稳器件的应用 207

8.3 光学双稳性的不稳定性 210

8.3.1 光学双稳性的稳定性判据 210

8.3.2 光学双稳性的不稳定性 214

第9章 光脉冲在光纤中的传播与光孤子 223

9.1 非线性薛定谔方程 223

9.1.1 亥姆赫兹方程的建立 223

9.1.2 推导光纤中的频域波方程 226

9.1.3 推导非线性薛定谔方程 228

附录 光纤的色散 229

9.2 群速色散与自相位调制 231

9.2.1 不计色散和非线性的脉冲传输 232

9.2.2 色散对脉冲传输的影响 232

9.2.3 自相位调制对脉冲传输的影响 236

9.2.4 色散和自相位调制的共同作用 238

9.3 时间光孤子与空间光孤子 241

9.3.1 时间光孤子 241

9.3.2 空间光孤子 244

第10章 基于非线性光学的全光开关 248

10.1 全光开关综述 248

10.1.1 全光开关的研究方向 248

10.1.2 全光开关的分类 252

10.2 非线性耦合器全光开关 257

10.2.1 低功率入射的对称光耦合器 258

10.2.2 自相位调制对称耦合器全光开关 261

10.2.3 交叉相位调制对称耦合器全光开关 263

10.3 非线性Sagnac干涉仪全光开关 267

10.3.1 低功率下含3 dB耦合器的Sagnac干涉仪 267

10.3.2 自泵浦含非3 dB耦合器的Sagnac干涉仪全光开关 271

10.3.3 交叉泵浦含3 dB耦合器的Sagnac干涉仪全光开关 273

10.3.4 自泵浦含光放大器的Sagnac干涉仪全光开关 275

10.4 非线性M-Z干涉仪全光开关 276

10.4.1 两臂材料不同的M-Z干涉仪全光开关 277

10.4.2 两臂长度不同的M-Z干涉仪全光开关 279

10.5 非线性环共振腔全光开关 280

10.5.1 单臂耦合环共振腔的M-Z干涉仪全光开关 281

10.5.2 具有双耦合器的环共振腔全光开关 286

10.6 非线性光纤光栅全光开关 289

10.6.1 布拉格光纤光栅（FBG）全光开关 291

10.6.2 长周期光纤光栅（LPFG）全光开关 298

10.6.3 石英光纤连接的LPFG对全光开关 302

10.6.4 非线性光纤连接的LPFG对全光开关 308

10.6.5 非线性光纤连接的FBG对光双稳开关 311

10.7 非线性纳米全光开关 320

10.7.1 非线性纳米波导全光开关 322

10.7.2 非线性光子晶体全光开关 334

10.7.3 表面等离子体激元全光开关 343

10.7.4 纳米硅基波导微腔全光开关 351