什么是非线性光学（Nonlinear Optics）？

非线性光学是光学的一个分支，研究光在偏振密度与光的电场发生非线性作用的介质中的特性和相互作用。本文将探讨非线性光学的基础知识，包括其原理、研究领域和应用。

非线性光学晶体通过偏振滤波器的红色激光交叉双折射图案。图片来源：Yury Zap/Shutterstock.com

非线性光学是在20世纪60年代随着激光的出现而出现的。随着时间的推移，它已经成熟为一个令人兴奋和快速增长的领域，在光子技术的发展及其各种应用中发挥了重要作用，如光计算机、光信号处理、传感器、超快开关、激光放大器和超短脉冲激光器。

非线性光学的基础物理学

光学是物理学的一个分支，涉及到光的行为和属性。这个广泛的领域包含了许多主题，从金属表面的光反射到创造图像。

在线性光学中，光的强度直接影响到介质的反应。例如，透明介质（水或玻璃）的折射率随着光的强度而变化。

另一方面，非线性光学涉及光的电场和介质的反应之间的非线性关系。介质的反应取决于光的波长、强度、方向和偏振。

光的电场与介质中的电子和原子之间的相互作用产生非线性反应。然而，高强度的光束可以电离介质中的原子，改变介质的折射率并产生新的频率，导致各种光学现象，如频率混合、加倍、光学孤子和参数放大。

非线性光学的应用

非线性光学有各种应用，对日常生活有很大影响，包括电信、商业激光器、传感器、制造业、医学、科学仪器和材料加工。

电信

在光纤通信的早期，非线性光学很快就被认为是制约在一根光纤上能传输多少数据的主要因素。

非线性光学限制了传输距离，以及随着激光功率水平的提高可以同时传输的数据率。非线性光学的限制最初是在海底应用中发现的，因为光纤的长度很长。然而，现在人们了解到，非线性光学在设计先进的光纤系统中是至关重要的。

分析工具

将非线性光学与显微镜相结合，对分析材料的变化非常有利。例如，共聚焦显微镜可以在微观层面上提供生物过程和系统的体内分析，而非线性光学提供局部功能和更高分辨率的图像。

多样化的激光器和相干光

在激光腔中加入非线性光学元件可以创造出新类型的激光器和应用。这允许对激光的时间依赖性和颜色进行修改。另外，非线性光学元件也可以放在激光腔外，以改变发射光的相干性。

光学成像

非线性光学成像是一种很有前途的分析药物的工具。它利用光学现象，如受激拉曼散射、二次谐波产生、双光子激发荧光和相干反斯托克斯拉曼散射。

图片来源：Yury Zap/Shutterstock.com

这些成像技术有几个优点，如固态和化学特异性，非侵入性分析，高光学时间和空间分辨率，以及在生物和水环境中没有标签和兼容性要求。

非线性光学的研究领域

非线性光学系统很简单，为研究非线性模式形成的各种普遍概念提供了一个理想的试验场。

生物光子学

生物光子学探索的是生物材料和光之间的相互作用。与线性光学相比，非线性为研究生物系统提供了若干优势。例如，近红外激发可以在最小的光损伤下深入组织，而非线性信号的依赖性可以实现内在的三维光学切片。此外，通过利用选定的生物分子的内在非线性光学反应，有可能获得活体组织的无标签生化对比。

太赫兹光子学

非线性光学对太赫兹（THz）技术的进步做出了重大贡献，使宽带单周期太赫兹脉冲可以通过光学整流产生。

超快激光器和非线性光学的技术进步使得产生强烈的单周期太赫兹脉冲成为可能，其峰值电场超过107V/m。这些超短电磁脉冲中的太赫兹电场强度为探索太赫兹光谱范围内的新型非线性光学效应和研究单周期制度下的超快非线性现象提供了独特的前景。

量子光学

非线性光学是控制和设计量子网络中互连的一个有用工具。例如，在一个混合量子网络中，节点在不同的波长下工作，像量子频率转换器或纠缠光子对这样的互连使节点之间的通信。这些设备依靠的是非线性光学效应。

研究人员正在将非线性光学和集成光子学与量子技术相结合，以推进现代量子通信和计算应用，在电信波长上开发新的集成量子光学器件。

布里渊散射

布里渊散射是一种涉及光与声音相互作用的非线性光学现象，从非线性光学的早期开始就被研究。它促进了微波处理、传感、快光和慢光、光学相位共轭和高相干源产生等方面的技术发展。

非线性光学。创新和研究的跨学科前沿阵地
非线性光学通过实现先进的激光器和相干光源，提供高分辨率的光谱学，赋予微机械加工、高容量电信和新材料分析工具，彻底改变了光学领域。

非线性光学是一个高度活跃和动态的领域，自其诞生以来经历了重大的研究。它跨越了从微米到纳米的各种尺度，并包含了经典和量子现象。因此，它已经发展成为一个跨学科的领域，许多概念已经超越了传统的学科界限。

更多资料

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Written by Owais Ali