激光及非线性光学诞生.docx

一、 激光和非线性光学诞生
1958年，Schawlow和Towne指出激光可以在红外和可见光频段实现。在这篇文章发表之后，很多实验室立即开始竞争，去实现这一理想。1960年5月，Maiman首先发现了红宝石激光器。
激光的发明，引导出很多新的学科，对我们今天的科学技术以及日常生活都产生了重大影响。其中最重要的学科之一就是非线性光学，它对半个世纪以来科技的发展起了十分重要的作用。激光的光场或电场可以很强。激光与物质的非线性相互作用，可以从极化偶极矩的表达式中看出。早年，微波和射频方而的研究己经证明，当电场很大的时候，会产生非线性现象。这是因为电场与物质相互作用时，如果电场很小，表达式中的非线性项可以忽略，产生的偶极子实际上与电场成正比(即线性效应)，而当电场很大时，非线性项不能再被忽略，因而可以产生二次倍频、混频等现象，这在微波和射频的实验中得到证实。我们可以预测，当光电场达到近1kV/cm时，在光波波段也会产生类似的非线性现象。

红宝石激光器出现后，人们立即想到非线性光学现象可能被观察到。1961年，Franken等用红宝石激光照射石英晶体，然后用棱镜光谱仪去分析透射的光。发现在光谱上除了基频信号外，还有一个很弱的二倍频的斑点，首次证实了二倍频的产生。当文章送给Physical Review Letter杂志发表时，杂志的印刷人员却以为光谱中的倍频斑点是个污点而将它抹去因此抹掉了文章中二倍频产生的唯一证据，成为物理学上的一段趣事。

哈佛大学的Bloembergen等人获悉Franken等的实验结果后，立即对一些基本的非线性光学问题做出了严格的理论分析，从而奠定了非线性光学的理论基础川。该文章探讨和分析了很多可能的非线性光学行为(见上图)，其中不少行为即使在今天仍是实验室中广泛研究发展的课题。例如，文章中提出准相位匹配(quasi phase matching)的想法，利用材料超晶格的周期结构来满足相位匹配的条件，从而得到很高的频率转换效率。共振腔内位相匹配(phase-matched generation in resonant cavity)也是文章中提出另一可以提高频率转换效率的方法。文章中还提到可以利用差频技术产生太赫兹电磁波，现在仍是如何产生短脉冲太赫兹波的重要科研方向。文章也预测可以利用上转换(up-conversion)现象来探测很弱的红外信号。Bloembergen也因此奠定了他在非线性光学领域中的宗师身份，并于1980年因为他对非线性光谱学的贡献获得诺贝尔物理奖。
二、 最初发现的非线性光学现象
1、 二次谐波、激光和频、差频、光学参量
如果有了很强的光场，很容易看到非线性光学现象。在提高脉冲激光的峰值光场或强度方而，早年发展了一个所谓的调Q激光技术。其原理是，当激光被泵浦时，把激光的共振腔关掉(低Q值)，让泵浦源持续不断地把能量注入并存储在激光介质中，然后在短时间内把共振腔打开(高Q值)，使储存在介质里的能量转换成光能，出现在一个很短的激光脉冲里，这叫巨脉冲(giant pulse)，也叫调Q脉冲激光。巨脉冲的光场就非常强。因此，一些简单的非线性光学现象都很容易被看到，例如二次谐波(second harmonic generation)、和频(sum frequency generation)等.如下图4}所示，当频率为ω1、ω2的光同时进入一介质时，会在介质中产出（ω1+ω2）频率的极化偶极矩，它的辐射就是和频的输出.如果要转换效率高，光的输入和输出一定要满足光的动量守恒，也就是我们说的位相匹配条件(phase matching，k1+k2=k).

在物理科学中，我们都知道，一个物理过程，往往会有相应的反过程。如果你首先想到并实现某一反过程现象，而这个现象很重要的话，你就会得到大奖。这里，我们可以想到和频的反过程，把上图（a）中的箭头翻转过来，就得到图(b)。可以看到进入介质的是（ω1+ω2）频率的光，输出的是频率ω1、ω2的两束光，这一般称为参量产生过程，输出的频率是由满足相位匹配条件来决定的。改变介质的温度或取向可以改变相位匹配，因而可以得到不同的输出频率ω1和ω2，作成一个频率可调光源。光参量产生器是现代光学里一个非常重要的相干性光源。但发现这现象也是很早，继红宝石激光出现后就被实现了。所以，在那个时候非线性光学的科研是很有引诱力的。假如你有一台红宝石激光器，往往只要找一个光学介质，插到光路里去，就会发现新的现象.下而我举几个例子.
① 受激拉曼散射( stimulated Raman scattering)
一个例子是受激拉曼散射。当年，洛杉矶休斯研究实验室一个小组研究用克尔盒来做激光的Q开关，他们把克尔盒放到光腔里而，用电压来驱动克尔盒的开或关，从而得到输出的激光巨脉冲。当时克尔盒中充的是硝基苯液体.他们在分析巨脉冲的光谱时，发现除了红宝石激光谱线之外，还有两条相当强的谱线见下图。

从它们的波长来看，很快就猜到来自硝基苯中的拉曼散射。两条线(766nm851. 5nm)分别来自一次和二次拉曼散射。通常情况下拉曼散射是很弱的，问题是这些拉曼谱线怎么会这么强，且具有方向性.Hellwarth很快在理论上证明了它们是受激拉曼散射。现在，受激拉曼散射可以用来产生不同频率的相干性光源，也为深入研究强光与物质相互作用的规律提供了手段。
② 光自制行为、自捕获、自聚焦效应、自相位调制
另外一个例子是自聚焦现象。当年，罗彻斯特大学光学研究所的M. Hercher把一块玻璃放到红宝石激光的光路中，发现很强的光束，会损伤玻璃。在玻璃中形成一连串的细微空穴，连成一条直线(见下图)

这个现象很奇怪，怎么破坏的轨迹会形成一条直线.。Townes在访问该研究所时，听到了这个实验结果，就想到可能是因为光的自捕获。其原理是物质的折射系数是随光的强度改变的。如果光引导出来的折射系数跟光强成正比，当一束光进入介质时，光束的中间部分较强，周边较弱，因此光进入介质后，刚开始它的波前是平的，但是因为光引导出的折射系数与光强成正比，轴心部分的光走得慢，周边的光走得快，因此波前就会起变化，越往里走变化越大。我们知道，光线传输方向是垂直波前的，所以假如把光路画出来的话，很明显看到光会自己聚焦见下图。光越强，聚焦越近；强度弱，聚焦就远。可是，我们也知道光的口径有限，它因此一定有衍射。如果衍射与自聚焦效应正好抵消，那么光束口径会保持不变。这一情况叫做光的自捕获，就是光把自己束缚住了。这是Townes想到的，其实在1962年，Askaryan己先提出了同样的理论。后来，用红宝石激光射入液体中做实验的时候，相机拍下光束在液体中传输的图像果真看到一条光度极强的细光束线，正如预测那样。但是如果我们仔细考虑，就会发现这应该是一个不稳的现象，只要光的能量稍微有一点改变，比如说由于光的散射或吸收，衍射和自聚焦之间的平衡马上就不会存在。所以实际上用自捕获来解释上述的实验观察是不对的。

其实观察到的图像是来自于光脉冲的自聚焦。红宝石激光器产生的巨脉冲，脉宽约10-8s，脉冲波的光强随着时间在变，因此自聚焦焦点的位置也随着时间在变。但是如果照相时间远比10-8s长的话，那么图象上显出的只是一条在轴上移动的焦点连结成的亮光线，这一个移动焦点的解释，后来得到实验证明，用快速照相机去观察，可以看出焦点真在移动。近年来，科研工作者用脉宽为10-13s的激光脉冲来观察自聚焦，发现自聚焦可以在空气中出现，而且亮线可以达一公里以上。
在应用方而，现在激光科技上常用到的z-扫描和克尔锁模(Kerr mode-locking)都是依靠自聚焦原理。自聚焦和自捕获都属于激光的自制行为，其他还有自陡化、自相位调制等自制行为，一般都是难控制的，因为它们都是自发产生的。如果可以控制的话，就可以拿来应用，如果控制不了，则会造成破坏。
自相位调制也是一个很重要的光自制现象。它也是由于材料的折射率会随光强改变而导致的，如果折射率n和光强I的关系是n=n0+n2I，则当脉冲激光经过物质后，透射光场和入射光场之间的关系可以写为Eout=Eineiφ+i∆φ，其中∆φt=2πvdcn2I(t)是由于折射率随光强的变化而产生的相位变化，v是频率，d是物质长度.因为∆vt=d∅/2πdt，当光脉冲很强又很短时，∆v可能从零变到几百甚至几千波数(cm-1)，因此透射光的光谱变得很宽，如果变频的光在物质中还有四波混频过程，则透射光的光谱会更宽，如下图所示一个5fs的脉冲，原始频宽只有~103cm-1 ，经过自相位调制后，频宽变得超过2X104cm-1，频谱比整个可见光范围更宽。

三 目前引人注意的一些非线性光学领域
1、 强场激光物理及强非线性效应
在上述的连续脉冲中取出单个脉冲，将它放大，可能得到单个脉冲，能量达0. l J，脉冲宽度为5X10-15s，峰值功率为1013 W,聚焦后能超过1029 W/cm-1.而且这一单脉冲的光场随时间的变化是可以精确描述的。这样脉冲的出现，开创了一个新领域，称作强场物理，研究脉冲强光场在介质中引出的问题。例如我们把这一单脉冲聚焦到1μm2大小区域，光的功率密度能够达到1019 W/cm-1，相应的场强达5X1011 V/cm.这样高的电场，如果用来加速电子，不考虑相对论效应的话，在光的半周期内就会把电子加速到超过光速。因此在这种情形下，光与物质的相互作用，必须用相对论动力学来解释。强场物理中研究的问题包括光与等离子的相互作用、X光与电子束的产生、短脉冲强磁场的产生、激光粒子加速等。后者如果可以有效控制，可能取代现在的电子加速器用于同步辐射，成本可降低100倍。.
2、 强非线性光学效应
强非线性光学效应指的是当光与物质间的作用不能再用微扰理论来描述，这相当于其他物理领域里的强藕合的情形，都是物理中最难的问题。可是在非线性光学里，有很多强藕合问题。例如，红外多光子激发和分子分解，一个分子可以吸收几十个到上百个红外光子，然后分解，以及多光子电离等，都可以用相当简单的物理图像来把它们讲清楚。
下而我们用阿秒脉冲及高次谐波的产生作一个例子. 用前述的极短的单脉冲激光，可以在原子分子气体中产生一个更短的软X光频段的单脉冲，使得超快光谱术在时间分辨上提高到100阿秒。这里解释一下这一个有趣的强非线性光学现象，如下图所示。在光的0到1/4周期间，正电场随时间增加，它的强度足够使原子的势能改变，一边高一边低.当势能低到某一值时，原子中在基态的电子可以经隧道效应电离出来，这时电场仍是正，所以电离出的电子会被继续加速。直到电场变成负，促使电子减速，然后电子会被负电场反向加速，最后撞向电离留下的原子核，从而在极短的时间内减速。将加速得来的能量，以辐射方式释放出来，这就是阿秒软X光脉冲的产生原理.实验中输入的是红外光，输出的是软X光，这应该是一个强藕合的非线性光学现象。可是，我们看到用一个简单的物理图就可以了解。在实验中，因为输入的脉冲光场是完全知道的，所以电子电离的时间、电离后的轨迹和速度等都可以精确控制，如果利用这电子来做衍射成像，观察它随时间的改变，可以得到物质在阿秒量级的结构动态变化.这也是一个很有意思的新领域。

与产生阿秒脉冲有关的较早发现的是产生高次谐波的非线性光学。我们知道激光产生二次谐波和三次谐波现象现在是很容易看到的。但是要产生几十或几百个谐波，从微扰理论来看，几乎是不可能的。可是在以气体为介质的实验中，却己经看到了(见下图)，这当然应该是一个超强的非线性现象。

3 高能密度物质
现在世界上不少发达国家都在建自由电子激光或者高能激光器，主要是希望能够得到高能量飞秒X射线脉冲或极高能量激光脉冲.斯坦福的Linac Coherent Light Source (LCLS)己能输出波长0. 15-1. 5nm，脉宽80fs，能量2mJ/pulse的脉冲硬X射线.在美国利弗莫尔的National Ignition Facility是目前世界上最大的激光装置，它产生192条20ns宽的激光脉冲，同时聚在一个目标上，可以达到1-2 MJ / pulse.现在己经开始运转，一天打一次，在2016年的时候，期望可以一天打700次。
大能量的脉冲激光，主要是希望用它来实现惯性核聚变(inertial fusion).其实这样的激光打在物质上，新的物理现象会出现.现在有个新的研究领域叫高能密度物理。如果能用内爆方式来把物质压缩到很高密度状态，其原子间的距离接近或小于原子核的德布罗意波长或玻尔半径，那么所有我们现在了解的关于原子与原子间的相互作用行为如化学键等都不再成立，需要建立新的理论和图像去描述.这个新的科研领域就是高能密度物理，是一个全新的极有意义和相当令人振奋的基础科研领域，问题在于这种大装置不是一般科研人员都可以用到的。