光学前沿研究与应用丛书 非线性光学与光子学
作者： 赫光生 著
出版时间： 2019年版
内容简介
本书作为一本关于非线性光学与光子学的学术著作，全面总结介绍了半个世纪以来非线性光学领域的主要课题内容和发展成就，着重介绍了20世纪90年代以后的一系列新型研究课题以及它们在光子学领域内的独特应用，同时客观反映了作者及其所领导的研究团队多年来做出的一些新新发现和相关贡献。 本书可供物理、光学、光电子学、光化学等相关专业学生、教师和科研人员阅读参考。
目录
丛书序前言第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
7.7.3SRBS产生的阈值条件233
7.7.4SRBS的实验特性235
7.7.5SRBS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
10.2.12π脉冲的定义和自感透明372
10.2.22π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FP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FP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多光子吸收材料的种类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82π脉冲自感透明的公式推导686索引688
