非线性光学概要及光电子器件优秀PPT.ppt
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1、非线性光学概要及光电子器件第一页,本课件共有31页一、光与物质相互作用的机理一、光与物质相互作用的机理 当光照射物质时,光波电磁场将对物质中当光照射物质时,光波电磁场将对物质中的电子产生作用,在外电场的作用下,介质原的电子产生作用,在外电场的作用下,介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波的电磁场子成为电偶极子。电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡。的变化产生振荡。+原子的电极化:负电荷中心与正电荷原子的电极化:负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态。中心产生偏离的状态。第二页,本课件共有31页 若物质中的电子在外场作用下产生位移若物质中的电子在外场作用下产生位移 r,则每个电子产生一个电偶极矩
2、,则每个电子产生一个电偶极矩 p。若光波随时间作正弦变化,即它的电场强若光波随时间作正弦变化,即它的电场强度沿两个相反方向交替变化,电偶极子的负电度沿两个相反方向交替变化,电偶极子的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。表征电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。表征电偶极子的物理量是电偶极矩。偶极子的物理量是电偶极矩。若单位体积中有若单位体积中有N 个电偶极子,个电偶极子,N 个偶个偶极矩的矢量和为极化强度极矩的矢量和为极化强度P。第三页,本课件共有31页 线性光学线性光学:电偶极矩与外界电磁场成线:电偶极矩与外界电磁场成线性关系。性关系。当光与物质相互作用时,光场中的电当光与物质相互作用时,光
3、场中的电场强度使介质原子因感应而产生电偶极矩,场强度使介质原子因感应而产生电偶极矩,电偶极矩叠加起来形成电极化强度。电极电偶极矩叠加起来形成电极化强度。电极化强度产生极化场,极化场发出次级辐射。化强度产生极化场,极化场发出次级辐射。若若E 以以作简谐变化,作简谐变化,P 及其产生的次及其产生的次级电磁辐射也以同样的级电磁辐射也以同样的作简谐变化,因两作简谐变化,因两频率相同,次级辐射与入射光波叠加的结果频率相同,次级辐射与入射光波叠加的结果使光波的单色性不变。使光波的单色性不变。第四页,本课件共有31页 当有几种不同频率的光波同时与该物质当有几种不同频率的光波同时与该物质相互作用时,各种频率的
4、光都线性独立地反相互作用时,各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射,不会发生新的频率。射、折射和散射,不会发生新的频率。在线性光学中,物质对光场的响应与光的在线性光学中,物质对光场的响应与光的场强成线性关系。场强成线性关系。光的独立性原理和叠加原理光的独立性原理和叠加原理都成立。都成立。非线性光学:非线性光学:外界作用的光场较强,电偶外界作用的光场较强,电偶极子的振荡不再具有位移与外电场成线性的极子的振荡不再具有位移与外电场成线性的关系,产生的电磁振荡是非线性的。关系,产生的电磁振荡是非线性的。第五页,本课件共有31页二、光的吸收二、光的吸收 光通过物质时,光波的电矢量使物质中光通过物质时,
5、光波的电矢量使物质中的带电粒子作受迫振动,一部分光能用来提的带电粒子作受迫振动,一部分光能用来提供振动所需能量。光的强度随穿入物质的深供振动所需能量。光的强度随穿入物质的深度而减少,光能被物质吸收后转变为热能。度而减少,光能被物质吸收后转变为热能。光强为光强为I 的平行光束通过一无限薄层的平行光束通过一无限薄层dx时,时,强度减少了强度减少了d I,a 为吸收系数。为吸收系数。对上式进行积分,可求出在通过厚度为对上式进行积分,可求出在通过厚度为 l 的的吸收层后的光强吸收层后的光强 I。第六页,本课件共有31页 在介质中,当光的频率与电偶极子的固在介质中,当光的频率与电偶极子的固有频率一致时,
6、发生共振现象,因而光能被有频率一致时,发生共振现象,因而光能被强烈地吸收,在其他情况下表现为透明。强烈地吸收,在其他情况下表现为透明。一般吸收(一般吸收(a 很大)很大)选择吸收(选择吸收(a 很小)很小)介质对光的吸收:介质对光的吸收:吸收光谱能反映材料特征。同一物质吸收光谱能反映材料特征。同一物质的发射光谱与吸收光谱有严格的对应关系。的发射光谱与吸收光谱有严格的对应关系。具有连续谱的光(白光)通过选择吸具有连续谱的光(白光)通过选择吸收介质后,用光谱仪可观察不同波长的光收介质后,用光谱仪可观察不同波长的光被吸收的谱线。被吸收的谱线。第七页,本课件共有31页 正常色散:在透明波段(一般吸收)
7、,折射正常色散:在透明波段(一般吸收),折射率随波长增加而减少。率随波长增加而减少。反常色散:在不透明波段(选择吸收),折反常色散:在不透明波段(选择吸收),折射率随波长增加而增加。射率随波长增加而增加。三、光的色散三、光的色散介质材料的折射率随波长而改变的现象。介质材料的折射率随波长而改变的现象。(1)色散与吸收)色散与吸收正常色散的经验公式(柯西公式):正常色散的经验公式(柯西公式):第八页,本课件共有31页可见光可见光可见光可见光吸收带吸收带吸收带吸收带 n nP PQQR R柯柯柯柯 西西西西 公公公公 式式式式S ST TOO 在可见光区域色散是正常的,曲线在可见光区域色散是正常的,
8、曲线PQ 段符段符合柯西公式,若向红外区域延伸,并接近吸合柯西公式,若向红外区域延伸,并接近吸收带时,色散曲线发生偏离(收带时,色散曲线发生偏离(R点),过了吸点),过了吸收带,曲线收带,曲线ST 又恢复正常。又恢复正常。第九页,本课件共有31页(2)色散与经典电磁理论)色散与经典电磁理论 光波在介质中的吸收和色散行为,可用光波在介质中的吸收和色散行为,可用光场使电偶极子产生振荡的理论来描述。光场使电偶极子产生振荡的理论来描述。介质材料的电极化率介质材料的电极化率x 决定了折射率决定了折射率N 的实部的实部 n 和虚部和虚部,从而研究介质的吸收(从而研究介质的吸收()和色散()和色散(n)的问
9、题。)的问题。入射光频率接近电偶极子的固有频率时吸入射光频率接近电偶极子的固有频率时吸收很大,为反常色散。收很大,为反常色散。第十页,本课件共有31页四、光的散射四、光的散射 当光束通过光学性质不均匀介质时,除了按当光束通过光学性质不均匀介质时,除了按几何光学规律传播的光线外,其它方向或多或少几何光学规律传播的光线外,其它方向或多或少也有光线存在。也有光线存在。介质中各点所发射的次波是不相干叠介质中各点所发射的次波是不相干叠加,不会相消为零,从而形成了散射光。加,不会相消为零,从而形成了散射光。(1)瑞利散射)瑞利散射 散射粒子线度比波长小得多,散射光强度散射粒子线度比波长小得多,散射光强度与
10、入射光波长的四次方成反比。散射光中短与入射光波长的四次方成反比。散射光中短波占优势,白光散射时带青蓝色。波占优势,白光散射时带青蓝色。第十一页,本课件共有31页(2)拉曼散射)拉曼散射 在研究晶体和液体内的散射时,发现在研究晶体和液体内的散射时,发现一些微弱的与入射光频率不同的散射光。一些微弱的与入射光频率不同的散射光。入射光中的一部分能量被介质吸收,用入射光中的一部分能量被介质吸收,用来激励介质中分子的振动或转动的能量,从来激励介质中分子的振动或转动的能量,从而使散射光的频率比入射光的低。而使散射光的频率比入射光的低。若散射光的频率比入射光的高为反斯托若散射光的频率比入射光的高为反斯托克斯克
11、斯-拉曼散射。这种非弹性散射的可能性拉曼散射。这种非弹性散射的可能性比弹性散射小得多。入射与散射光的频率比弹性散射小得多。入射与散射光的频率差反映介质能级的能量差。差反映介质能级的能量差。第十二页,本课件共有31页弹性散射弹性散射弹性散射弹性散射hh0 0hh0 0 0 0hh0 0hh0 0 0 0h h(0 0 )h h(0 0 )0 0 0 0 非弹性散射非弹性散射非弹性散射非弹性散射 受激散射:当以强光入射时,可使某些介质的散受激散射:当以强光入射时,可使某些介质的散射过程具有受激发射的性质,散射光突然变强。射过程具有受激发射的性质,散射光突然变强。第十三页,本课件共有31页(3)布里
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