非線性光學與光子學（簡體書）

本書作為一本關於非線性光學與光子學的學術著作，全面總結介紹了半個世紀以來非線性光學領域的主要課題內容和發展成就，著重介紹了20世紀90年代以後的一系列新型研究課題以及它們在光子學領域內的獨特應用，同時客觀反映了作者及其所領導的研究團隊多年來做出的一些新新發現和相關貢獻。
本書可供物理、光學、光電子學、光化學等相關專業學生、教師和科研人員閱讀參考。

赫光生，國際知名非線性光學研究學者。早期(1965-1986)曾在中國科學院上海光學精密機械研究所從事與激光物理和非線性光學有關的基礎研究，1980年代在國內多所大學講授過題為“非線性光學”的講座課程。1987―1998年赴美國紐約州立大學布法羅分校光子學研究實驗室工作，1999年至今任該校激光、光子學與生物光子學研究所的資深研究員。先後合作出版中英文著作《強光光學》、Nonlinear Optics and Photonics 等7本。在國際權威科學雜誌和專業期刊上多以第一作者身份發表學術論文約150餘篇。具有首創性主要研究成果為：首先報道並命名多種新型非線性光學效應； 發現雙光子泵浦之反向受激(激光)發射的位相共軛現象(1997年)；對反向受激散射和反向受激發射產生光學位相共軛波的本質給出統一的物理模型解釋。自1990年代中期起，以其為首的研究團隊，在從事有關多光子非線性光學效應及其應用研究(光學限幅、光學穩定與整形、頻率上轉換激光發射)方面，處於前沿和領先地位，其標誌之一是在國際上首次實現三光子泵浦頻率上轉換激光發射，其結果首發在Nature 主刊(2002年)。

叢書序前言第1章引論1
1.1非線性光學與非線性光子學的學科定義1
1.1.1線性光學的定義與特點1
1.1.2非線性光學的定義與特點2
1.1.3非線性光子學的學科含義4
1.2描述光輻射場的主要物理參量4
1.2.1光輻射的強度與亮度5
1.2.2光束的空間與時間相干性6
1.2.3光子波型數與光子簡並度7
1.3強相干光輻射與物質作用的特點9
1.4描述強相干光與物質作用的兩種理論體系11
1.4.1半經典理論11
1.4.2量子電動力學理論12
1.4.3兩種理論體系的適用範圍15
1.5非線性光學與光子學的應用和科學意義16
參考文獻18第2章非線性電極化過程20
2.1光學介質的非線性感應電極化效應20
2.2介質產生感應電極化的物理機制24
2.3非線性電極化率的張量表現形式25
2.4非線性電極化率的基本性質27
2.5非線性電極化作用下的耦合波動方程30
2.6單色光場的複數表示形式33
參考文獻35第3章二階非線性(三波)混頻效應36
3.1光學二次諧波效應36
3.1.1二次諧波產生的量子圖像描述36
3.1.2二次諧波的半經典理論定量描述38
3.1.3產生二次諧波的工作物質42
3.1.4產生二次諧波的實驗裝置46
3.2光學和頻與差頻效應48
3.2.1光學和頻效應48
3.2.2光學差頻效應49
3.2.3光學和頻與差頻產生的實驗裝置50
3.3光學參量放大與振盪效應51
3.3.1光學參量效應51
3.3.2光學參量放大和振盪條件的推導52
3.3.3光學參量放大器和振盪器實驗系統55
3.4特殊光學二次諧波產生59
3.4.1產生二次諧波的特殊材料59
3.4.2在表面和交界面產生二次諧波60
參考文獻61第4章三階非線性(四波)混頻效應65
4.1四波混頻(四光子參量作用)的幾種方式65
4.2光學三次諧波的產生68
4.2.1三次諧波效應的非線性電極化理論描述68
4.2.2實現三次諧波相位匹配的方法70
4.2.3三次諧波產生的共振增強72
4.2.4產生三次諧波及和頻輻射的介質和裝置74
4.3拉曼共振增強的四波混頻76
4.3.1相干斯托克斯與反斯托克斯環狀輻射的產生76
4.3.2兩拉曼差頻光束成微小角度入射的情況78
4.4非共振四光子參量作用79
4.4.1部分簡並四光子參量作用79
4.4.2簡並四光子參量作用82
4.5通過三階非線性過程產生二次諧波83
4.5.1直流電場導致的二次諧波產生83
4.5.2光纖中的二次諧波產生84
參考文獻86第5章強光引起的折射率變化90
5.1線性光學中對折射率的描述90
5.2非線性光學中對折射率的描述92
5.3雙光束入射引起的折射率變化94
5.4雙光子共振引起的折射率增強變化95
5.5拉曼共振引起的折射率增強變化98
5.6折射率感應變化的物理機制99
5.6.1引起折射率變化的不同物理機制99
5.6.2分子再取向克爾效應引起折射率變化的表達式101
5.6.3電致伸縮效應導致的折射率變化表達式103
5.6.4感應折射率變化的時間特性104
5.7二階非線性電極化過程導致的折射率耦合變化(光頻泡克耳斯
效應)107
參考文獻112第6章強光自聚焦、自相位調製與光譜自加寬114
6.1強光自聚焦的基本理論114
6.1.1自聚焦現象概述114
6.1.2光束自陷的感應波導模型117
6.1.3穩態自聚焦解析理論118
6.1.4穩態自聚焦焦距的半經驗公式123
6.1.5動態自聚焦描述124
6.2自聚焦的直接觀測實驗125
6.2.1自聚焦光束多焦點結構的直接觀測125
6.2.2對超短脈衝產生多焦點自聚焦行為的模擬數值計算131
6.3強光脈衝的自相位調製和頻率啁啾效應134
6.4強光脈衝的光譜自加寬效應137
6.4.1准單色強光脈衝自調製導致的光譜自加寬137
6.4.2多頻率組分脈衝拍頻調製導致的光譜自加寬139
6.5相干連續譜白光輻射142
6.5.1超短強光脈衝產生相干連續譜白光輻射142
6.5.2用納秒激光脈沖產生相干連續譜白光輻射147
6.5.3相干連續譜白光輻射的應用151
參考文獻151第7章強相干光受激散射效應155
7.1光的散射現象155
7.1.1光的散射現象的起因155
7.1.2光的散射現象的分類156
7.1.3光的受激散射與普通(自發)散射間的區別159
7.2受激拉曼散射161
7.2.1拉曼散射過程的量子理論圖像161
7.2.2拉曼散射過程的量子理論定量描述163
7.2.3自發和受激拉曼散射概率表達式169
7.2.4受激拉曼散射增益係數和閾值條件171
7.2.5受激拉曼散射增益係數的半經典理論推導174
7.3受激拉曼散射實驗規律177
7.3.1實驗裝置和散射介質177
7.3.2受激拉曼散射過程中的四波混頻179
7.3.3拉曼共振增強的自聚焦效應185
7.4自旋反轉、電子、純轉動躍遷受激拉曼散射189
7.4.1自旋反轉受激拉曼散射189
7.4.2電子躍遷受激拉曼散射193
7.4.3純轉動躍遷受激拉曼散射196
7.5受激布裡淵散射效應197
7.5.1自發和受激布裡淵散射的物理圖像197
7.5.2強光與介質感應聲波場的相互作用199
7.5.3受激布裡淵散射的增益與閾值202
7.5.4受激布裡淵散射的實驗研究207
7.6受激克爾散射效應214
7.6.1有關液體中光頻再取向克爾效應的背景知識214
7.6.2受激瑞利翼散射215
7.6.3超寬帶受激散射現象的發現216
7.6.4克爾散射的物理模型218
7.6.5克爾散射的截面220
7.6.6受激克爾散射的增益和閾值條件224
7.6.7實驗結果與理論的比較225
7.7受激瑞利布拉格散射效應231
7.7.1效應發現的背景231
7.7.2受激瑞利布拉格散射的物理模型231
7.7.3SRBS產生的閾值條件233
7.7.4SRBS的實驗特性235
7.7.5SRBS對泵浦光譜線寬度的要求239
7.8受激米氏散射效應241
7.8.1效應發現的背景和產生機理241
7.8.2半導體納米顆粒懸浮液中SMS實驗242
7.8.3金屬納米顆粒懸浮液中SMS實驗244
參考文獻248第8章光學相位共軛效應256
8.1相位共軛波的定義和功用256
8.1.1光學相位共軛技術的產生背景256
8.1.2相位共軛波的定義257
8.1.3相位共軛波的特殊功用258
8.2利用四波和三波混頻產生相位共軛波260
8.2.1利用簡並四波混頻產生後向共軛波260
8.2.2簡並四波混頻產生後向共軛波的兩種物理解釋263
8.2.3利用部分簡並四波混頻產生後向共軛波265
8.2.4利用四波混頻產生前向共軛波266
8.2.5利用三波混頻產生前向共軛波268
8.3利用四波混頻產生相位共軛波的實驗研究270
8.3.1簡並四波混頻產生後向共軛波270
8.3.2部分簡並四波混頻產生後向共軛波274
8.4利用後向受激散射產生相位共軛波276
8.4.1後向受激散射相位共軛特性的實驗發現276
8.4.2後向受激散射相位共軛特性的實驗表徵277
8.4.3後向受激散射具有相位共軛特性的物理解釋282
8.4.4後向受激散射相位共軛特性的數學描述284
8.5利用後向激光發射產生相位共軛波287
8.5.1後向激光發射相位共軛特性的發現和物理解釋287
8.5.2後向激光發射相位共軛特性的實驗特徵289
8.6光學相位共軛技術的應用293
8.6.1相位共軛技術的多種應用293
8.6.2相位共軛技術在高速率和遠距離光纖通信系統中的
應用296
參考文獻304第9章非線性與超高分辨光譜學312
9.1限制光譜分辨率的因素312
9.1.1傳統光譜術與新型激光非線性光譜術312
9.1.2影響光譜分辨率的各種因素313
9.2飽和吸收光譜學效應318
9.2.1效應概述318
9.2.2基本理論考慮321
9.2.3實驗研究簡述323
9.2.4交叉耦合飽和吸收光譜效應328
9.3消多普勒加寬雙光子吸收光譜學效應330
9.3.1效應概述330
9.3.2有關2PA的半經典理論描述332
9.3.3有關實驗結果334
9.4相干拉曼和四波混頻光譜學效應337
9.4.1效應概述337
9.4.2相干反斯托克斯拉曼光譜學效應338
9.4.3拉曼感應克爾效應光譜學效應344
9.4.4拉曼增益光譜學和反拉曼光譜學效應346
9.5激光偏振光譜學效應349
9.5.1效應概述349
9.5.2消多普勒加寬飽和吸收偏振光譜學效應349
9.5.3偏振CARS光譜學效應352
9.5.4偏振標定分子光譜學效應354
9.6激光冷卻與陷俘光譜術356
9.6.1激光冷卻與陷俘的原理356
9.6.2激光冷卻與陷俘的技術358
9.6.3獲得超高光譜分辨率的實驗結果360
參考文獻363第10章瞬態相干光學效應370
10.1瞬態相干作用的定義和特點370
10.2自感透明效應372
10.2.12π脈衝的定義和自感透明372
10.2.22π脈衝的形狀和速度375
10.2.3自感透明的實驗378
10.3光子回波效應381
10.3.1光子回波現象381
10.3.2光子回波的理論描述383
10.3.3光子回波的實驗388
10.4光學章動效應391
10.4.1現象概述391
10.4.2布勞赫方程的建立392
10.4.3瞬態相干輻射場方程396
10.4.4光學章動的實驗研究398
10.5光學自由感應衰減效應401
10.5.1效應表現和數學描述401
10.5.2光學自由感應衰減實驗研究403
參考文獻405第11章光學雙穩態效應與器件411
11.1非線性FP干涉儀411
11.1.1光學雙穩態研究的背景411
11.1.2光學雙穩裝置的穩態理論考慮412
11.1.3非線性FP裝置的動態響應特性416
11.2光學雙穩態的實驗設計417
11.2.1入射光束空間和光譜結構的影響417
11.2.2雙穩態實驗的典型設置419
11.3光學雙穩態的實驗研究420
11.3.1光學雙穩態效應的早期觀測420
11.3.2用於光學雙穩態實驗的非線性材料422
11.3.3半導體雙穩態裝置424
11.3.4光波導雙穩態裝置425
11.3.5基於光熱機制的瞬態雙穩態效應428
11.4光學雙穩性研究的新進展430
參考文獻436第12章光學時間孤子440
12.1形成時間孤子的條件440
12.1.1群速度和群速度色散440
12.1.2石英玻璃光纖的折射率和群速度色散441
12.1.3在非線性介質中GVD效應和自相位調製效應之間的
平衡443
12.2時間孤子的基本性質445
12.2.1非線性色散介質中光傳輸滿足的波動方程445
12.2.2光纖系統中非線性波動方程的時間孤子解446
12.2.3光纖中產生時間孤子效應的實驗證明448
12.2.4在n2<0並具有正GVD的介質中孤子型脈衝的形成
449
12.2.5時間孤子在光纖中的長距離傳輸450
12.3時間孤子的自變窄和自頻移效應452
12.3.1高階時間孤子在經過短光纖後的自變窄效應452
12.3.2由拉曼增益引起的時間孤子的自頻移效應454
12.4光纖孤子激光器456
12.4.1時間孤子激光器的工作原理456
12.4.2孤子激光器的初始設計457
12.4.3稀土離子摻雜光纖孤子激光器458
12.4.4光纖拉曼孤子激光器461
參考文獻463第13章光學空間孤子467
13.1光學空間孤子的定義467
13.2空間亮孤子的產生468
13.2.1產生空間亮孤子的物理機制468
13.2.2空間亮孤子在三階非線性介質中的形成469
13.2.3空間亮孤子在二階非線性介質中的形成470
13.2.4空間亮孤子在液晶介質中的形成472
13.2.5空間亮孤子在光折變介質中的形成474
13.2.6螺旋行進空間亮孤子的形成476
13.3空間暗孤子的形成477
13.3.1空間暗孤子形成的物理機制477
13.3.2產生空間暗孤子的實驗478
13.4空間孤子的相互作用及應用482
13.4.1空間孤子相互作用概述482
13.4.2在三階非線性介質中空間孤子的相互作用483
13.4.3在二階非線性晶體中空間孤子的相互作用485
13.4.4在光折變介質中的空間孤子相互作用486
參考文獻488第14章多光子非線性光子學技術493
14.1多光子吸收過程493
14.1.1多光子吸收研究概述493
14.1.2多光子吸收的物理機制495
14.1.3輻射量子理論有關多光子吸收的定量表述497
14.1.4強光束在介質中傳播時的衰減公式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多光子吸收材料的種類504
14.3多光子吸收介質的非線性光學特性507
14.3.1多光子激發波長的選擇507
14.3.2離散波長雙(多)光子吸收截面測量508
14.3.3影響吸收截面測量結果的諸因素509
14.3.4雙(多)光子吸收光譜分佈的測量513
14.3.5雙(多)光子吸收導致的熒光發射特性517
14.4多光子泵浦激發發射519
14.4.1多光子泵浦激光發射技術概述519
14.4.2雙光子泵浦激光發射實驗521
14.4.3多光子泵浦激光發射實驗524
14.5基於多光子吸收的光學限幅、穩定與整形527
14.5.1基於多光子吸收的光學限幅527
14.5.2基於多光子吸收的光學穩定和時空整形532
14.6基於多光子吸收的光學三維數據存儲與微製造537
14.6.1採用多光子吸收介質記錄光學信息的特點537
14.6.2採用雙光子吸收介質的3D光存儲實驗540
14.6.3基於雙光子聚合原理的3D光學微製作542
參考文獻544第15章非線性光電效應553
15.1光電效應簡介553
15.1.1單光子光電發射效應553
15.1.2固體的電子能帶結構554
15.1.3單光子激發半導體的光電導行為555
15.1.4金屬表面附近電子的鏡像電勢態555
15.2多光子光電發射效應557
15.2.1多光子光電發射的早期觀察557
15.2.2共振增強的多光子激發光電發射558
15.2.3潔淨或吸附金屬表面的多光子光電發射研究561
15.3多光子光電導效應564
15.3.1多光子誘導光電導性的機制564
15.3.2半導體與絕緣介質中多光子誘導光電導特性的研究
565
15.3.3基於多光子光電導機制的半導體光譜研究566
15.3.4基於多光子光電導元件的超短激光脈沖的自相關測量
568
參考文獻572第16章快光與慢光傳輸577
16.1光速577
16.1.1連續單色光的相速度577
16.1.2准單色光脈衝的構成特點578
16.1.3准單色光脈衝的群速度和群折射率580
16.2在共振介質中的群速度581
16.2.1吸收介質的複折射率582
16.2.2吸收介質的群折射率585
16.2.3光脈衝在吸收介質中的群速度585
16.2.4光脈衝在增益介質中的群速度587
16.3共振介質中的快/慢光傳播589
16.3.1共振介質中光脈衝的傳播特性589
16.3.2光的傳播與物理學中因果關係和狹義相對論的關係
591
16.3.3折射率色散與吸收或增益係數的關係592
16.3.4實現快光和慢光傳輸的方法593
16.4快光傳輸的實驗研究595
16.4.1線性吸收介質內的快光傳輸595
16.4.2在雙增益線介質內的快光傳輸596
16.4.3在誘導吸收介質中的快光傳輸599
16.4.4快光介質中脈衝峰值的向後移動600
16.5慢光傳輸的實驗研究602
16.5.1基於電磁誘導透明的慢光傳輸602
16.5.2基於吸收飽和的慢光傳輸606
16.5.3光脈衝在EIT介質中的暫停與再生效應608
16.5.4拉曼增益介質中慢光效應610
16.5.5布裡淵增益介質中的慢光效應612
16.5.6半導體放大器或光纖放大器中的慢(快)光效應614
參考文獻616第17章太赫茲非線性光學620
17.1用光學整流與差頻方法產生相干太赫茲輻射620
17.1.1在二階非線性晶體內產生太赫茲輻射的原理620
17.1.2在二階非線性介質內產生太赫茲脈衝發射的實驗研究
623
17.1.3在等離子體中通過四波混頻方法產生太赫茲輻射625
17.2檢測太赫茲輻射的非線性光學方法626
17.2.1通過電光取樣檢測太赫茲輻射626
17.2.2通過四波混頻檢測太赫茲輻射628
17.3強太赫茲場的非線性光學應用631
17.3.1強太赫茲脈衝通過泡克耳斯效應引起的非線性相位
調製631
17.3.2強太赫茲脈衝通過克爾效應引起的非線性折射率變化
636
17.3.3強太赫茲場在半導體內引起的非線性吸收637
參考文獻638第18章非線性電極化率的詳盡理論641
18.1密度矩陣和相互作用能641
18.1.1密度矩陣的基本方程641
18.1.2相互作用能的多極矩展開643
18.2各階電極化率的密度矩陣方法求解646
18.2.1密度矩陣方程的逐次求解646
18.2.2各階電極化率張量元的解析表達式649
18.3非線性電極化率的主要性質654
18.3.1局部場修正654
18.3.2空間對稱性656
18.3.3互換對稱性和時間反演對稱性659
18.4非線性電極化率的共振增強性質662
18.4.1共振增強效應概述662
18.4.2一階和二階電極化率共振增強效應663
18.4.3三階電極化率的單光子共振增強664
18.4.4三階電極化率的雙光子和頻共振增強664
18.4.5三階電極化率的雙光子差頻共振增強665
18.5非線性電極化率量子力學表達式的適用性667
參考文獻669附錄671
附錄1用於非線性光學的物理常數671
附錄2數值估算和單位制轉換672
附錄3晶體和其他介質的線性電極化率張量元674
附錄4晶體的二階非線性電極化率張量元675
附錄5晶體產生二次諧波的非線性電極化率張量元677
附錄6晶體和其他介質的三階電極化率張量元680
附錄7晶體和其他介質的核貢獻三階電極化率張量元683
附錄82π脈衝自感透明的公式推導686索引688