非线性光学过程

当光线强度足够高时，介质的极化对电场产生非线性响应，从而产生一系列在线性光学中不存在的过程。

Definition

当介质的极化对强光的电场产生非线性依赖时出现的光学现象，通过幂级数展开来描述，其高阶磁化率会产生新的频率和与强度相关的效应。

Scope

本主题涵盖非线性光学效应的起源和分类。它包括感应极化在电场幂次上的展开、二阶和三阶非线性磁化率、允许或禁止偶数阶效应的对称性要求，以及主要的三阶现象，如光学克尔效应、自相位调制、自聚焦和四波混频。它还涵盖受激拉曼散射和布里illouin散射。它建立了非线性磁化率的框架，由此可以推导出特定的频率转换设备。

Core questions

• 介质的极化是如何在电场中变得非线性的？
• 为什么在对称介质中禁止偶数阶非线性效应？
• 主要的三阶非线性现象有哪些？
• 强度依赖性折射如何导致自聚焦？

Key concepts

• 非线性极化
• 二阶磁化率
• 三阶磁化率
• 光学克尔效应
• 自相位调制
• 自聚焦
• 四波混频
• 受激拉曼散射

Key theories

非线性磁化率展开

感应极化在电场中以幂级数展开，其中二阶磁化率负责三波混频，三阶磁化率负责克尔效应和四波混频等效应；晶体对称性决定了哪些项得以保留。

光学克尔效应和自作用

三阶响应使折射率依赖于强度，因此强光束会改变其自身的相位并能自聚焦，这是自相位调制、自聚焦和孤子形成的基础。

Clinical relevance

三阶非线性过程是非相干反斯托克斯拉曼散射显微镜和其他用于可视化组织中脂质和其他分子的无标记非线性成像方法的基础，而自相位调制则拓宽了用于光学相干断层扫描的激光光谱。

History

非线性光学磁化率的系统理论由布隆伯根及其同事在20世纪60年代早期提出，布隆伯根因此获得了1981年诺贝尔物理学奖。随后的几十年里，三阶现象及其在光纤和晶体中的应用得到了阐述，并在沈和博伊德的标准著作中进行了总结。

Key figures

• Nicolaas Bloembergen
• Yuen-Ron Shen
• Robert W. Boyd

Seminal works

• boyd2020
• shen2003

Frequently asked questions

为什么普通日光不会产生非线性效应？

极化中的非线性项与电场的幂次成比例，在普通强度下极小；只有聚焦激光脉冲的集中电场才足够强，足以使这些效应显著。

什么是自聚焦？

通过强度依赖性折射率，强光束在其最亮处（中心）使折射率最高，因此介质的作用类似于一个透镜，将光束聚焦到自身上，有时会导致丝状化或损伤。