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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

7.7.3 SRBS产生的阈值条件233

7.7.4 SRBS的实验特性235

7.7.5 SRBS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

10.2.1 2π脉冲的定义和自感透明372

10.2.2 2π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F-P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F-P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 多光子吸收材料的利类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8 2π脉冲自感透明的公式推导686

索引688