Seminar课程

非线性光学 / 光电工程学院 / 苏红

一、非线性光学概念

 非线性物理学是研究在物质宏观强作用下普遍存在着的非线性现象,也就是作用和响应之间的关系是非线性现象。非线性光学是非线性物理学的一个分支,也是现代光学的一个分支,是描述强光与物质发生相互作用的规律,研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。非线性光学在激光发明之后迅速发展起来,它所揭示的大量新现象极大地丰富了非线性物理学的内容。

 非线性光学是光学专业的专业必修课程之一,它是一门介于基础与应用之间的学科,随着实验与理论研究的深入,它几乎在所有科学领域中都获得广泛的应用。本课程除了讨论非线性光学的理论基础外,还主要介绍在非线性介质中产生的各类非线性光学现象,并且注意介绍与光通信及光电子有关的最新进展,是通信及其光学各专业学生必须具备的理论基础。目的是让学生了解有关非线性光学的基本现象及其物理描述,为学生今后在本领域或相关领域工作提供理论基础。

 

二、非线性光学的发展历史及其重要性

 非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期。第一个时期是1961~1965年,这个时期的特点是新的非线性光学效应大量而迅速地出现,诸如光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸收、光束自聚焦以及受激光散射等等都是这个时期发现的。第二个时期是1965~1969年,这个时期一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应,例如非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等等;另一方面则主要致力于对已发现的效应进行更深入的了解,以及发展各种非线性光学器件。第三个时期是70年代至今,这个时期是非线性光学日趋成熟的时期。其特点是:由以固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效应的研究;由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至更高阶效应的研究;由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究;就时间范畴而言,则由纳秒进入皮秒领域。这些特点都是和激光调谐技术以及超短脉冲激光技术的发展密切相关的。

 

三、教学目的

 本课程为光学及其相关专业研究生的专业基础课。主要讲授非线性光学的基本原理,并择要介绍重要应用,包括非线性极化率理论,耦合波方程,二阶、三阶非线性光学效应等,为学生今后从事相关的科研工作打下坚实的理论基础。

 

四、参考文献

1非线性光,石顺祥,陈国夫,赵卫,刘继芳编著,西安电子科技大学出版社(第三版),2014.

2《非线性光学-原理与进展》,钱士雄,复旦大学出版社,2001.

3、《非线性光学原理》,上册,沈元壤著,顾世杰译,科学出版社,1987.match

4、《非线性光学》, Robert. W. Boyd,英文版(影印本), 2010.match

5《非线性光学》,费浩生编著,高等教育出版社. 

6、《非线性光学》,N.Bloembergen著,吴存恺,沈闻达,沃新能译,科学出版社,1987.

7、《光电子学导论》,A.Yariv 

8、《非线性光学》, Robert. W. Boyd,英文版(印本),2010 

9非线性光学 原理和应用,李淳飞,2015

小组讨论内容:

一、课程内容

(1)什么是相位匹配条件?

(2)实现相位匹配的方法有几种? 

(3)讨论:正单轴晶体中,在正常色散的情况下,有两个频率w1和w3入射,而且w3>w1,求满足第I、II类相位匹配条件的差频过程各光波的偏振特性。

(4)讨论:正单轴晶体中,在反常色散的情况下,有两个频率入射w1和w2,求满足第I、II类相位匹配条件的和频过程w1+w2=w3各光波的偏振特性。

(5)讨论:参量放大过程、参量发生器、参量振荡这三种过程的差异。


二、扩展应用

结合非线性光学课程内容和目前科研前沿,扩展了一些有关非线性光学的应用技术。



非线性光学》Seminar课程总结

 教学过程中,我们采取了了多种教学模式相结合的方式,主要包括多媒体教学、讨论式教学,每次讨论持续1-2周,涉及到产量过程中的参量振荡、参量方法、参量产生,具体参量过程实例讨论等主要理论、深度学习等最新研究成果,强调二阶非线性效应、三阶非线性效应在激光技术中的应用,并使得每个案例具有一定趣味性和深入性,综合学生讲授模式、全员讨论模式、教师点评模式。以研究生教育为目的,培养能够独立开展科研、具有创新思维的新型人才,满足社会发展的需要。非线性光学与我们现代生活息息相关,只有课本的知识并不能增加学生太多的认知。因此,本课程采取了不同于以往的教学方式,带领学生与国内外该相关专业的知名专家、第一线的科技工作者交流,聆听他们的经历、经验,让同学确实感受到该门课程的重要性,认识到科技创新的魅力与艰辛。虽然,这只是对研究生教学的初步探索,但无论是教师还是学生,都获益匪浅。

 个人有以下几点感悟:1、在完成理论课学习后,组织学生进行讨论、学习,更有利于学生理解课本上的基础知识,学以致用,增加感性认知;2、在参加学术交流会议后,结合课本知识,培养学生善于观察、捕捉 问题的能力;3、各小组只有充分发挥团队合作精神才能在较短时间内整理思路,完成归纳和总结。该过程能让学生体验完整的科研创新过程,培养他们合作、严谨和创新的精神。

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教学设计方案

    本项目的研究是在此课堂教学的基础上,另外,以学术前沿专题研究方式的形式,具体通过学科交叉综合性科研小课题的设计、利用本学院的现有实验平台实施与完成,让学生们单独或以小组形式经过研究,包括实验、调查、考察以及文献资料分析和综合等,获得解决问题的途径,然后写成研究报告,通过主题发言,组织全班学生参加讨论,培养学生创新意识和科研能力的一种教学模式。该内容具有科学研究性、学习的自主性和合作性、学习环境的开放性,培养学生从事课题研究的基本能力和创新思维,最终实现培养优秀光信专业人才的目的。


研讨过程:

一、3-4人为一讨论小组,每个小组讨论的内容不一样,讨论结果派一名代表来说明。

    本学期根据课程进度分别进行了两次讨论课,第一次是讨论参量放大过程、参量发生器、参量振荡这三种过程的差异;第二次是具体应用,讨论正单轴晶体中,在反常色散或正常色散的情况下,有两个频率入射w1和w2,求满足第I、II类相位匹配条件的和频过程w1+w2=w3各光波的偏振特性。

   在课堂上,首先分析了参量过程要满足的前提条件,接着让学生3-4人组成小组进行讨论,分析其结果。


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二、参加国际学术交流大会

    5月22日,2017年国际前瞻激光技术大会于深圳大学成功举办,本次会议由中国光学光电子行业协会激光分会、西南技术物理研究所、广东省激光产业技术创新联盟主办,《激光技术》编辑部、深圳大学、中山大学中法核工程与技术学院、广东省激光行业协会、深圳技术大学筹备办公室联合承办。同学们参与了该国际前瞻激光技术大会的专家接待活动,并认真听取了大会报告内容。由于国际前瞻激光技术与非线性光学技术紧密相连,同学们不仅体验了国际交流会议的流程,而且结合本课程内容,了解了非线性光学的具体应用前景。

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    在2017年上半学年,苏红老师任教非线性光学的半年里,主要通过使用课本石顺祥和陈国夫等人编写的《非线性光学》进行教学,让我们学习。这本书主要讲了关于非线性光学的基本理论,让我感觉收益良多,之前自己也看过,只是很多知识点没有构建全面的物理思想,在老师如细水长流般的慢慢渗透下,在学习中进一步理解了其物理模型,基本理论。

 苏老师做的PPT详细丰富,在课前课后都可以让我们对课本有个认识和总结,可以看出老师的用心细微之处,从开始讲非线性光学,从基本的物理经典理论描述,和后面的计算,但凡是课本中一些疑问的参数和重要公式定理,老师也在这个过程中让我们去推理推导,然后去理解在非线性过程中光电场的具体变化方式,从而逐渐构建了整个理论过程。

 最后老师从讲课中讲解了很多关于光的现象涉及的实验,不仅拓展了我们的科研视野,而且让我们对基本的理论应用,理论理解多了一层认识,一个人看不出的问题,在老师的课堂上,老师讲解的十分详细,自己对公式课文内容也因此找到了很多的遗漏之处,一门课是很难掌握一个学科的,在以后的科研路上还要继续学习应用上课学到的知识点。

李**:

 首先衷心感谢苏红老师一学期以来对我们的指导和教育!非线性光学是光学领域的一个很大的分支,学了《非线性光学》这门课后,我觉得非常受益,我能融会贯通到其它课程中。

 我觉得苏红老师非常注重公式的推导,在课堂上经常带着我们推导课本上的公式,受苏红老师的影响,我自己也养成了推导公式的好习惯。苏红老师还非常注重学生能力的培养,经常让我们进行小组的讨论,然后说说自己的观点。在一次课堂上,我被分配了讲讲对参量振荡的理解,课后我很认真地推导了一遍课本的公式,然后还把自己的理解做成PPT,在课堂上展示给大家看,我很感谢苏红老师能给我们这样的锻炼机会。 

 我觉得苏红老师的课非常注重对学生思维的培养,本学期我们上过一次关于相位匹配问题的讨论课,我觉得那次讨论课上老师提出的问题能让我们很好地理解相位匹配这部分内容,我非常希望其它的课上也能采取这种小组讨论学习的教学方式。我觉得苏红老师是一个非常负责任、非常有原则的老师,多次下课以后都留在教室跟我们一起讨论问题。而且我觉得苏红老师是一个非常谦虚的老师,很乐意听取学生的意见。有一次我在预习相位共轭波这部分的内容的时候,在维基百科上找到了一张非常形象的图,我发给了老师,老师最后把我发给她的图添加到了她教学的PPT中,我觉得这是对学生的一种肯定和鼓励,我非常感动!并且我把我对一幅图的理解也发给了老师:当光波经过玻璃瓶后,产生畸变波前,经PCM反射,将产生该光波的后向相位共轭波,它将严格地沿原光路返回,该相位共轭波再次通过非均匀介质玻璃瓶后,将会消除掉介质非均匀性引起的波前畸变,所以可以看到这幅图上半部分图像中的箭头是双向的,Original image=final image;而如果是光波经过玻璃瓶后变成畸变的波前,经普通反射镜反射后依然是畸变的波前,再次通过玻璃瓶后变成了有两倍畸变的波前,即图中的Doubly distorted image。这幅图同时也说明了相位共轭技术可以用来修正波前畸变。

何**:

 本学期我学习了《非线性光学》这门课,收获很大。非线性光学是光学的其中一个分支,它是在光学的基础上,结合了电动力学中麦克斯韦方程组所产生出来的一门学问。我学了它受益匪浅,对光与介质的属性的认识更进了一步。对于这门学科,我印象最深的知识点是:介质的线性极化率从以前一直认为的实常数变为了表征光在介质中的色散与吸收(或放大)特性的复数;电极化强度从以前一直认为的正比于电场强度变为了与电场强度呈非线性关系,并用幂级数的形式展开为各阶电极化强度之和;到后来深刻学习了并理解了二阶、三阶等非线性光学效应在实际生活中的重要应用,我们主要学习了:联立耦合波方程可以用于求解由于非线性光学效应所产生的新频率电场强度随着时间变化的函数,实现参量转换过程的相位匹配技术,二阶非线性光学效应所引起的扑克尔斯效应、二次谐波产生、和频与差频,三阶非线性光学效应所引起的克尔效应、自聚焦、自散焦、自相位调制、自变陡、简并四波混频、双光子吸收、受激拉曼及布里渊散射,以及产生相位共轭光的技术以消除波前畸变——这些知识在实际生活中都有着重要应用。在这里,我衷心感谢苏红老师在这一学期时间内教会了我们这些对我们今后的学习和研究工作有所帮助的知识。老师,您辛苦了!

方*:

 通过本学期对非线性光学的学习,我对现代光学有了更深入的认识,对现代光学前沿研究的内容有初步的了解,开拓了我的视野。苏红老师讲解透彻,教学认真,学习这门课我受益匪浅。

 首先谈谈我对非线性光学的认识。非线性光学是现代光学的一个分支,研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。非线性光学的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效应的发现和1929年克尔效应的发现。但是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科,应该说是从激光出现后才开始的。激光的出现为人们提供了强度高和相干性好的光束。而这样的光束正是发现各种非线性光学效应所必需的。自从1961年,P.A.弗兰肯等人首次发现光学二次谐波以来,非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期。第一个时期是1961~1965年。这个时期的特点是新的非线性光学效应大量而迅速地出现。第二个时期是1965~1969年。这个时期一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应,例如非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等等;另一方面则主要致力于对已发现的效应进行更深入的了解,以及发展各种非线性光学器件。第三个时期是70年代至今。这个时期是非线性光学日趋成熟的时期。其特点是:由以固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效应的研究;由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至更高阶效应的研究;由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究;就时间范畴而言,则由纳秒进入皮秒领域。这些特点都是和激光调谐技术以及超短脉冲激光技术的发展密切相关的。

    学习《非线性光学》这门课虽然只有短短一学期,但这门课的内容实在博大精深,值得我继续学习。

房**:

 非线性光学是光学很大的一个枝干,早为本科生就以听过其鼎鼎大名,只是本科遇到这块知识点都含糊其辞,避而不讲,告知读了研自然会讲,因其太难,所以早早就对非线性光学很感兴趣,在读了研究生之后,更是提了很多次,在讲激光原理时就用到很多,到研一下学期开了这门课之后,毅然决然的选了这门课,即使知道这门课很难,但依然挡不住我对非线性的兴趣,而苏红老师为人平易近人,专业知识扎实,讲课风格多变,基础知识会反复讲,关键点会实操演练,提出问题或讨论课来详细讨论,对巩固知识帮助很大,非线性光学很难,幸而有苏红老师的授讲,使我能较为容易的理解非线性光学,否则以我拙劣的智商和理解能力,怕是此生遥遥无望。

 即使苏红老师讲课功底扎实,但我天资实在愚笨,而努力也有不足,多次听课都懵懵懂懂,有时干脆弃而不听,每念于此,常泪满襟,一愧对苏红老师循循善诱和教导,二愧对年少时对非线性光学的憧憬与好奇,实感惭愧,浑浑噩噩虚度一学期有余,而前日终遇大考,考前惶惶不可终日,心中明知自己斤两多少,却不曾想考出优秀的分数,探其原由,只因苏红老师人面佛心,宽宏大量,体恤尔等渣民,知我等深为考试发愁,故试卷以基础为主,放我等一条生路,再想起自己上课时模样,更愧对于苏老师的教导,只能以此文感谢苏老师。

姜**:

    非线性光学是现代光学的一个分支,研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。非线性效应是E的一次方项,以及比其更高次方的项共同起作用所产生的结果。而在线性光学中,介质极化率只与电场强度一次方成线性关系,即研究弱光束在介质中的传播,确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量。而非线性光学则是在强电场下对介质极化率的精确表述。基于此,在课堂上苏老师详细介绍了,光学整流、二次谐波的产生、光学混频、受激拉曼散射、受激布里渊散射以及自聚焦自散焦效应。重点讲解了光学参量过程和相位匹配条件,对非线性过程进行充分的解释说明。非线性光学是现代光学的一个分支,学习好这门课程非常有必要的,并且基于非线性光学的应用也十分广泛:①利用各种非线性晶体做成电光开关和实现激光的调制。②利用二次及三次谐波的产生、二阶及三阶光学和频与差频实现激光频率的转换,获得短至紫外、真空紫外,长至远红外的各种激光;同时,可通过实现红外频率的上转换来克服在红外接收方面的困难。③利用光学参量振荡实现激光频率的调谐。与倍频、混频技术相结合已可实现从中红外一直到真空紫外宽广范围内调谐。④利用一些非线性光学效应中输出光束所具有的位相共轭特征,进行光学信息处理、改善成像质量和光束质量。⑤利利用各种非线性光学效应,特别是共振非线性光学效应及各种瞬态相干光学效应,研究物质的高激发态及高分辨率光谱以及物质内部能量和激发的转移过程及其他弛豫过程等。

王**:

 非常有幸能够在研一的下学期选到苏红老师教学的《非线性光学》这门课。对于光学专业的同学来说,作为一门基础课程,《非线性光学》的重要性是毋庸置疑的,而一位有经验的老师能够带给大家的不仅是课本上的知识,还有学习中实验中的一种思考方式。与许多老师不同的是,苏老师除了ppt上的内容,还会在板书中对知识点进行梳理、对公式做必要的推导,在这种教学方式下,我对非线性光学有了进一步的认识。

 通过这门课的学习,我了解到光在介质中的传播过程就是光与物质相互作用的过程。对于这个动态过程,可以视为两个分过程:介质对光的响应过程和介质的辐射过程。如果介质对光的响应呈线性关系,其光学现象属于线性光学范畴,;如果介质对光的响应呈非线性关系,光学现象属于非线性范畴,此时,光在介质中传播会产生新的频率,不同频率的光波之间会产生耦合,独立传播原理和线性叠加原理不再成立。这一过程,就是我们本门课探讨的主要内容。

 短短一个学期的时间,我对非线性光学有了初步的了解,相信这一学期的学习对我今后的学习生活能够有巨大的帮助。再次感谢苏老师这一学期的辛勤劳动和谆谆教诲,希望以后有机会还可以跟着苏老师进一步学习。

丛*:

 在学习这门课程以前,就早早听闻这门课程的难度十分巨大,上课之前就感觉自己可能承受不来。但是,我还是选了。果不其然,这课的难度确实不一般,正如我或者我们一开始料想的那样。可是,苏老师讲起来却如此的行云流水,如数家珍,吾等小辈只能浑浑噩噩,听个一知半解,敬畏之心油然心生。不过,对课程内容的熟悉既是苏老师的过人之处,也给我们带来了许多困扰。因为苏老师对内容过于熟悉,所以许多内容信手拈来,令吾等一时反应不过来。苏老师讲起课来行云流水,酣畅淋漓,我们也只能望其项背。究其缘由,不怪老师太厉害,就怪学生愚钝,没能做好充分的准备去迎接这门课程。非线性固然难,但并非没有解决之策。研究生既然开设此课程,就说明吾等应该并且可以掌握该课内容。无奈,才疏学浅,辜负了老师的一片苦心。既是课程,难免考试,平时未认真学,考前自然慌了神,只能临时抱佛脚,亏得老师大度,才渡过此劫。最后,感谢苏老师的传业授道解惑,同时感谢同学的关心与帮助。

段**:

 为了更好的开拓我们的视野,让大家更好的开展自己相关方面的研究,在苏老师的指导下,我们开展了非线性光学课程。该课程内容涉及广泛,从经典物理到量子力学对学生详细讲解非线性光学的过程。

 通过本课程的学习,我感触很深,认识到了光学世界的多姿多彩,千变万化,在苏老师的带领下,为我们研究非线性光学世界带来了无穷的乐趣。通过一学期下来的学习,我们受益匪浅,相信一定能为我们在各自的研究上带来巨大的帮助。