赵凯华光学非线性光学_2

绪论

§4,非线性介质中的波方程

光与物质的相互作用:电磁相互作用 理论工具:Maxwell方程组+物质方程

D = ρ B = 0 B ×E = t D × H = j + t

D = ε 0E + P B = μ H + μ M 0 0 j = σ E j + ρ = 0 t

绪论

§4,非线性介质中的波方程

考虑均匀,非导电,非磁性,无自由电荷的介质 ρ = 0, j = 0 D = ε 0 E + P, B = μ 0 H 电极化强度 P = PL + PNL

波运动方程 2 E μ 0ε 0ε 2E 2P = μ0 2 t 2 t

绪论

§5,非线性光学的主要机制

电子的贡献 电子云的畸变 电子能级布局数的改变 分子的振动与转动 分子的重新取向与重新分布 电致伸缩 热效应

非线性极化的宏观描述(上)

§1引言

1. 极化 电介质在外场的作用下,由于静电感应,在介质内 部产生反方向电场,但不足以抵消外电场. 无极分子 正,负电荷中心重合分子本身电偶极矩为零. p=0 外场导致正,负电荷中心发生相对位移 分子本身电偶极矩不为零. p≠0 P=∑p≠0

第二章 非线性极化的宏观描述

a.

Ε 介质体现出总的极化强度.

非线性极化的宏观描述(上)

§1引言

b. 有极分子 正负电荷中心不重合,分子本身 p≠0 有电偶极矩 (1)无外场,热运动导致杂乱分布 P=∑p=0

(2)外光场,导致单个电偶极矩取 向相近介质表现出总的极化强度:

非线性极化的宏观描述(上)

§1引言

宏观描述 极化强度与外加电场之间的关系 (1)各向同性介质: 与 E 方向相同,简单的正比关系 P

P = χE

(2)各向异性介质: 与 E 方向不平行,正比关系 P P = (χ xx E x + χ xy E y + χ xz E z )x + (χ zx E x + χ zy E y + χ zz E z )z + (χ yx E x + χ yy E y + χ yz E z )y

E

P=∑p≠0

非线性极化的宏观描述(上)

§1引言

2. 非线性极化 非线性极化是非线性光学现象的产生原因之一 介质在外加光场的作用下产生非线性极化 (气体,液体,固体,液晶,聚合物,等离子体等) 特殊性:不同的微观机制与过程 电子能级,分子振动/转动,取向 共性:统一的宏观描述 线性 非线性: P = χ (1) E P = χ (1) E + χ (2) E 2 + χ (3) E 3 + 光场:频率,偏振等 非线性极化:频率,偏振特性

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

E 外加光场

(1)

P 介质的电极化

线性: P = χ E (1) ( 2) 2 ( 3) 3 非线性:P = χ E + χ E + χ E + 介质极化是介质对外加光场的响应

1. 1) 介质极化的线性响应函数 因果性原理 因: 外加光场 果: 介质极化 线性极化

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

t 任意时间段 τ 的光场 E (τ ) ,都会对其后时刻 t ≥ τ 的 介质极化产生贡献: dP (1) (t ) = Q (1) (t ,τ ) E (τ )dτ 其中, 是线性响应函数. t 的介质极化 P(t ) 时刻 是对所有 t 时刻以前的光场响应的累积效果 Q (1) (t ,τ )

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

2) 时间

不变原理 物理规律不依赖于参考系(空间,时间) 时刻 τ 的光场 E (τ ) 在 t 时刻引起的极化响应 相等

E (τ ) = E (τ + T0 )

P (1) (t ) = ∫ Q (1) (t ,τ ) E (τ )dτ

t

时刻 τ + T0 的光场 E (τ + T0 )在 t + T0 时刻引起的极化响 应 dP (1) (t ) = Q (1) (t ,τ ) E (τ )dτ

E (τ ) = E (τ +T ) 0 dP (1) (t + T0 ) = Q (1) (t ,τ ) E (τ + T0 )dτ →

若定义:

t

(1)

则介质线性极化强度为: +∞ P (1) (t ) = ∫ Q (1) (t ,τ ) E (τ )dτ

P (1) (t + T0 ) = ∫ Q (1) (t ,τ ) E (τ + T0 )dτ

+∞

#

= ∫ Q (1) (t ,τ T0 ) E (τ )dτ

+∞

##

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

回忆一下(#): (1) +∞ P (t + T0 ) = ∫ Q (1) (t + T0 ,τ ) E (τ )dτ ∞ 与##比较,得: Q (1) (t ,τ T0 ) = Q (1) (t + T0 ,τ ) 即:响应函数 Q (t ,τ ) 只与时间差 T = t τ 有关,与绝 对时间 t , τ 无关 记作: R (1) (T ) = Q (1) (t ,τ )

(1)

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

3) 频率展开(Fourier变换) 对光场进行频率展开

E (t ) =

变量代换

1 2

E (ω )e iωt dω

1 2

P(t ) =

P(ω )e iωt dω

*

代入(###) E (t T ) =

P (1) (t ) = ∫

+∞

∞ 1 2 ∞

E (ω )e iωt dω e iωT

R (1) (T ) = 0

介质极化强度

for T

(1)

R (1) (T ) ∫

+∞ +∞ ∞

+∞

E (ω )e iωt dω eiωT dT **

P (t ) = ∫

(1)

+∞

R (T ) E (t T )dT

###

=

1 2

∫ [∫

R (1) (T )eiωT dT ]E (ω )e iωt d ω

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

对比(*)和(**)得 P (1) (ω ) = χ (1) (ω ) E (ω ) 其中,一阶线性极化系数

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

任意τ 1 时刻的光场 E (τ 1 ) 和 τ 2 时刻的光场 E (τ 2 ) 都会对其 后的 t ( t ≥ τ 1 , t ≥ τ 2 ) 时刻介质的二阶极化产生贡献

dP (2) (t ) = Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 ) E (τ 2 )dτ 1dτ 2

χ (1) (ω ) = ∫ R (1) (T )eiωT dT

+∞

2. 1)

介质极化的二阶非线性响应函数 因果关系原理 E E 因: (τ 1 ) , (τ 2 ) 果:二阶非线性极化响应.

t 时刻的二阶极化,是对 t 时刻之前所有光场二阶响应的 累积 t t P (2) (t ) = ∫ ∫ Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 )E (τ 2 )dτ 1dτ 2

∞ ∞

t

P (2) (t ) = ∫

+∞

+∞

Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 )E (τ 2 )dτ 1dτ 2

(#)

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

2) 时间不变原理 任意 τ 1 时刻的光场 E (τ 1 ) 和 τ 2 时刻的光场 E (τ 2 ) 在其后 (2) 的 t 时刻引起的介质二阶极化响应 dP (t ) 相等 (条件)E (τ 1 ) = E (τ 1 + T0 ), E (τ 2 ) = E (τ 2 + T0 ) τ 1 + T0 时刻的光场 E (τ 1 + T0 ) 和 τ

2 + T0 时刻的光场 E (τ 2 + T0 ) (2) 在其后的 t + T0 时刻引起的介质二阶极化响应 dP (t + T0 )

dP (2) (t ) = Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 ) E (τ 2 )dτ 1dτ 2

1 1 0 2 2 0 →

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

P (2) (t + T0 ) = ∫ =∫

+∞ ∞ +∞ ∞

+∞

Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 + T0 )E (τ 2 + T0 )dτ 1dτ 2 (##)

+∞

Q (2) (t ,τ 1 T0 ,τ 2 T0 ) E (τ 1 )E (τ 2 )dτ 1dτ 2

而由(#)得 +∞ +∞ P (2) (t + T0 ) = ∫ ∫ Q (2) (t + T0 ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 )E (τ 2 )dτ 1dτ 2 ∞ ∞ 比较上两式,得 Q (2) (t ,τ 1 T0 ,τ 2 T0 ) = Q (2) (t + T0 ,τ 1 ,τ 2 ) 响应函数只与时间差有关

Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) = R (2) (T1 , T2 )

E (τ ) = E (τ +T ),

E (τ ) = E (τ +T )

dP (2) (t + T0 ) = Q (2) (t ,τ 1 + T0 ,τ 2 + T0 ) E (τ 1 + T0 ) E (τ 2 + T0 )dτ 1dτ 2

T1 = t τ 1 , T2 = t τ 2

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

(#)可以写成 3)

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

P (2) (t ) =

1 2

R ( 2 ) (T1 , T2 ) = 0

for T1

∫ ∫

+∞

+∞

χ (2) ((ω1 + ω2 ),ω1 , ω2 ) E (ω1 ) E (ω2 )e i (ω +ω )t dω1d ω2

1 2

频率展开(Fourier变换) 把 ∞ E (t T1 ) = 1 ∫ E (ω1 )e iω1t dω1 eiω1T1 2

其中,二阶非线性极化系数 +∞ +∞ χ (2) ((ω1 + ω2 ), ω1 , ω2 ) = ∫ ∫ 1 R (2) (T1 , T2 )eiω1T1 eiω2T1 dT1dT2 2 回忆 δ 函数的性质

∞ ∞

E (t T2 ) =

∞ 1 2 ∞

E (ω 2 )e iω 2t dω 2 e iω 2T2

+∞

f ( x)δ ( x x' )dx = f ( x' )

可以得到如下形式的表示:

代入下式并展开:

χ (2) ( (ω1 + ω ) , ω1 , ω2 )

+∞ +∞ 1 ∞ 2

χ (2) ((ω1 + ω2 ), ω1 , ω2 )e i (ω +ω )t

1 2

P (2) (t ) = ∫ =

+∞

+∞

R (2 ) (T1 , T2 ) E (t T1 )E (t T2 )dT1dT2

+∞ ∞

=

P (2) (t ) =

1 2 +∞ +∞ ∞ ∞

1 2

+∞

χ (2) (ω , ω1 , ω2 )e iωtδ (ω , ω1 + ω2 )d ω

1 2

∫ ∫ ∫ ∫

+∞ ∞ ∞

R (2 ) (T1 , T2 )eiω1T1 eiω2T1 dT1dT2 i (ω1 +ω2 ) t d ω1dω2 E (ω1 ) E (ω2 )e

∫ ∫ ∫

+∞

χ (2) (ω ,ω1 , ω2 ) E (ω1 ) E (ω2 )δ (ω ω1 ω2 )e iωt d ω1d ω2 d ω

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

P(t ) =

P (2) (ω ) = ∫

+∞ ∞

非线性极化的宏观描述(上)

§3非线性极化的一般表示方法

1. 光场的频率展开 光场,电磁场

1 2

P(ω )e iωt dω

+∞

χ (2) (ω , ω1 , ω2 ) E (ω1 ) E (ω2 )δ (ω ω1 ω2 )d ω1d ω2

实数

单频光场 频率为 ω 的单色波 E (r , t ) = E cos(ωt k r + φ ) E ( r , t ) = 1 ε e i ( ω t k r ) + 1 ε * e i ( ω t k r ) 2 2

= 1 E (ω ) + 1 E *(ω ) 2 2

3.

介质极化的三阶非线性响应函数

P(t ) = P (3) (ω ) =

1 2 +∞ ∞

1 2

P(ω )e iωt dω

+∞

∫ ∫ ∫

+∞

χ (3) (ω , ω1 , ω2 , ω3 )

E (ω1 ) E (

ω2 ) E (ω3 )δ (ω ω1 ω2 ω3 )d ω1d ω2 d ω3

χ (3) ((ω1 + ω2 + ω3 ), ω1 , ω2 , ω3 ) =

E (ω ) = E * (ω )

∫ ∫ ∫

∞ ∞

+∞

+∞

1 ∞ 4

+∞

R (3) (T1 , T2 , T3 )eiω1T1 eiω2T1 eiω3T3 dT1dT2 dT3

E (r , t ) = 1 E (r , ω ) + 1 E (r , ω ) 2 2

非线性极化的宏观描述(上)

§3非线性极化的一般表示方法

多频光场 频率为

非线性极化的宏观描述(上)

§3非线性极化的一般表示方法

2. 介质极化

P = ∑ [ 1 Pi e i (ωi t ki r ) + 1 Pi * ei (ωit ki r ) ] 2 2 = ∑ [ 1 P(ω ) + 1 P *(ω )] 2 2

i i

ω1 , ω 2 , ω 3 ,

1 2 i

,ωi ,

i (ωi t ki r )

,ωn

E (r , t ) = ∑ [ ε i e

1 2 i

+ εi * e

1 2

i (ωi t ki r )

]

= ∑ [ E (ω ) + E *(ω )]

1 2

引入负频率

E (ω i ) = E * (ω i )

P(ω ) = P *(ω )

E (r , t ) = ∑ [ E (ωi ) + E (ωi )]

1 2 1 2

P = ∑ 1 P(ωi ) 2

i

E (r , t ) = ∑ 1 E (ωi ) 2

i

i

绪论

§4,非线性介质中的波方程

光与物质的相互作用:电磁相互作用 理论工具:Maxwell方程组+物质方程

D = ρ B = 0 B ×E = t D × H = j + t

D = ε 0E + P B = μ H + μ M 0 0 j = σ E j + ρ = 0 t

绪论

§4,非线性介质中的波方程

考虑均匀,非导电,非磁性,无自由电荷的介质 ρ = 0, j = 0 D = ε 0 E + P, B = μ 0 H 电极化强度 P = PL + PNL

波运动方程 2 E μ 0ε 0ε 2E 2P = μ0 2 t 2 t

绪论

§5,非线性光学的主要机制

电子的贡献 电子云的畸变 电子能级布局数的改变 分子的振动与转动 分子的重新取向与重新分布 电致伸缩 热效应

非线性极化的宏观描述(上)

§1引言

1. 极化 电介质在外场的作用下,由于静电感应,在介质内 部产生反方向电场,但不足以抵消外电场. 无极分子 正,负电荷中心重合分子本身电偶极矩为零. p=0 外场导致正,负电荷中心发生相对位移 分子本身电偶极矩不为零. p≠0 P=∑p≠0

第二章 非线性极化的宏观描述

a.

Ε 介质体现出总的极化强度.

非线性极化的宏观描述(上)

§1引言

b. 有极分子 正负电荷中心不重合,分子本身 p≠0 有电偶极矩 (1)无外场,热运动导致杂乱分布 P=∑p=0

(2)外光场,导致单个电偶极矩取 向相近介质表现出总的极化强度:

非线性极化的宏观描述(上)

§1引言

宏观描述 极化强度与外加电场之间的关系 (1)各向同性介质: 与 E 方向相同,简单的正比关系 P

P = χE

(2)各向异性介质: 与 E 方向不平行,正比关系 P P = (χ xx E x + χ xy E y + χ xz E z )x + (χ zx E x + χ zy E y + χ zz E z )z + (χ yx E x + χ yy E y + χ yz E z )y

E

P=∑p≠0

非线性极化的宏观描述(上)

§1引言

2. 非线性极化 非线性极化是非线性光学现象的产生原因之一 介质在外加光场的作用下产生非线性极化 (气体,液体,固体,液晶,聚合物,等离子体等) 特殊性:不同的微观机制与过程 电子能级,分子振动/转动,取向 共性:统一的宏观描述 线性 非线性: P = χ (1) E P = χ (1) E + χ (2) E 2 + χ (3) E 3 + 光场:频率,偏振等 非线性极化:频率,偏振特性

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

E 外加光场

(1)

P 介质的电极化

线性: P = χ E (1) ( 2) 2 ( 3) 3 非线性:P = χ E + χ E + χ E + 介质极化是介质对外加光场的响应

1. 1) 介质极化的线性响应函数 因果性原理 因: 外加光场 果: 介质极化 线性极化

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

t 任意时间段 τ 的光场 E (τ ) ,都会对其后时刻 t ≥ τ 的 介质极化产生贡献: dP (1) (t ) = Q (1) (t ,τ ) E (τ )dτ 其中, 是线性响应函数. t 的介质极化 P(t ) 时刻 是对所有 t 时刻以前的光场响应的累积效果 Q (1) (t ,τ )

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

2) 时间

不变原理 物理规律不依赖于参考系(空间,时间) 时刻 τ 的光场 E (τ ) 在 t 时刻引起的极化响应 相等

E (τ ) = E (τ + T0 )

P (1) (t ) = ∫ Q (1) (t ,τ ) E (τ )dτ

t

时刻 τ + T0 的光场 E (τ + T0 )在 t + T0 时刻引起的极化响 应 dP (1) (t ) = Q (1) (t ,τ ) E (τ )dτ

E (τ ) = E (τ +T ) 0 dP (1) (t + T0 ) = Q (1) (t ,τ ) E (τ + T0 )dτ →

若定义:

t

(1)

则介质线性极化强度为: +∞ P (1) (t ) = ∫ Q (1) (t ,τ ) E (τ )dτ

P (1) (t + T0 ) = ∫ Q (1) (t ,τ ) E (τ + T0 )dτ

+∞

#

= ∫ Q (1) (t ,τ T0 ) E (τ )dτ

+∞

##

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

回忆一下(#): (1) +∞ P (t + T0 ) = ∫ Q (1) (t + T0 ,τ ) E (τ )dτ ∞ 与##比较,得: Q (1) (t ,τ T0 ) = Q (1) (t + T0 ,τ ) 即:响应函数 Q (t ,τ ) 只与时间差 T = t τ 有关,与绝 对时间 t , τ 无关 记作: R (1) (T ) = Q (1) (t ,τ )

(1)

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

3) 频率展开(Fourier变换) 对光场进行频率展开

E (t ) =

变量代换

1 2

E (ω )e iωt dω

1 2

P(t ) =

P(ω )e iωt dω

*

代入(###) E (t T ) =

P (1) (t ) = ∫

+∞

∞ 1 2 ∞

E (ω )e iωt dω e iωT

R (1) (T ) = 0

介质极化强度

for T

(1)

R (1) (T ) ∫

+∞ +∞ ∞

+∞

E (ω )e iωt dω eiωT dT **

P (t ) = ∫

(1)

+∞

R (T ) E (t T )dT

###

=

1 2

∫ [∫

R (1) (T )eiωT dT ]E (ω )e iωt d ω

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

对比(*)和(**)得 P (1) (ω ) = χ (1) (ω ) E (ω ) 其中,一阶线性极化系数

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

任意τ 1 时刻的光场 E (τ 1 ) 和 τ 2 时刻的光场 E (τ 2 ) 都会对其 后的 t ( t ≥ τ 1 , t ≥ τ 2 ) 时刻介质的二阶极化产生贡献

dP (2) (t ) = Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 ) E (τ 2 )dτ 1dτ 2

χ (1) (ω ) = ∫ R (1) (T )eiωT dT

+∞

2. 1)

介质极化的二阶非线性响应函数 因果关系原理 E E 因: (τ 1 ) , (τ 2 ) 果:二阶非线性极化响应.

t 时刻的二阶极化,是对 t 时刻之前所有光场二阶响应的 累积 t t P (2) (t ) = ∫ ∫ Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 )E (τ 2 )dτ 1dτ 2

∞ ∞

t

P (2) (t ) = ∫

+∞

+∞

Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 )E (τ 2 )dτ 1dτ 2

(#)

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

2) 时间不变原理 任意 τ 1 时刻的光场 E (τ 1 ) 和 τ 2 时刻的光场 E (τ 2 ) 在其后 (2) 的 t 时刻引起的介质二阶极化响应 dP (t ) 相等 (条件)E (τ 1 ) = E (τ 1 + T0 ), E (τ 2 ) = E (τ 2 + T0 ) τ 1 + T0 时刻的光场 E (τ 1 + T0 ) 和 τ

2 + T0 时刻的光场 E (τ 2 + T0 ) (2) 在其后的 t + T0 时刻引起的介质二阶极化响应 dP (t + T0 )

dP (2) (t ) = Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 ) E (τ 2 )dτ 1dτ 2

1 1 0 2 2 0 →

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

P (2) (t + T0 ) = ∫ =∫

+∞ ∞ +∞ ∞

+∞

Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 + T0 )E (τ 2 + T0 )dτ 1dτ 2 (##)

+∞

Q (2) (t ,τ 1 T0 ,τ 2 T0 ) E (τ 1 )E (τ 2 )dτ 1dτ 2

而由(#)得 +∞ +∞ P (2) (t + T0 ) = ∫ ∫ Q (2) (t + T0 ,τ 1 ,τ 2 ) E (τ 1 )E (τ 2 )dτ 1dτ 2 ∞ ∞ 比较上两式,得 Q (2) (t ,τ 1 T0 ,τ 2 T0 ) = Q (2) (t + T0 ,τ 1 ,τ 2 ) 响应函数只与时间差有关

Q (2) (t ,τ 1 ,τ 2 ) = R (2) (T1 , T2 )

E (τ ) = E (τ +T ),

E (τ ) = E (τ +T )

dP (2) (t + T0 ) = Q (2) (t ,τ 1 + T0 ,τ 2 + T0 ) E (τ 1 + T0 ) E (τ 2 + T0 )dτ 1dτ 2

T1 = t τ 1 , T2 = t τ 2

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

(#)可以写成 3)

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

P (2) (t ) =

1 2

R ( 2 ) (T1 , T2 ) = 0

for T1

∫ ∫

+∞

+∞

χ (2) ((ω1 + ω2 ),ω1 , ω2 ) E (ω1 ) E (ω2 )e i (ω +ω )t dω1d ω2

1 2

频率展开(Fourier变换) 把 ∞ E (t T1 ) = 1 ∫ E (ω1 )e iω1t dω1 eiω1T1 2

其中,二阶非线性极化系数 +∞ +∞ χ (2) ((ω1 + ω2 ), ω1 , ω2 ) = ∫ ∫ 1 R (2) (T1 , T2 )eiω1T1 eiω2T1 dT1dT2 2 回忆 δ 函数的性质

∞ ∞

E (t T2 ) =

∞ 1 2 ∞

E (ω 2 )e iω 2t dω 2 e iω 2T2

+∞

f ( x)δ ( x x' )dx = f ( x' )

可以得到如下形式的表示:

代入下式并展开:

χ (2) ( (ω1 + ω ) , ω1 , ω2 )

+∞ +∞ 1 ∞ 2

χ (2) ((ω1 + ω2 ), ω1 , ω2 )e i (ω +ω )t

1 2

P (2) (t ) = ∫ =

+∞

+∞

R (2 ) (T1 , T2 ) E (t T1 )E (t T2 )dT1dT2

+∞ ∞

=

P (2) (t ) =

1 2 +∞ +∞ ∞ ∞

1 2

+∞

χ (2) (ω , ω1 , ω2 )e iωtδ (ω , ω1 + ω2 )d ω

1 2

∫ ∫ ∫ ∫

+∞ ∞ ∞

R (2 ) (T1 , T2 )eiω1T1 eiω2T1 dT1dT2 i (ω1 +ω2 ) t d ω1dω2 E (ω1 ) E (ω2 )e

∫ ∫ ∫

+∞

χ (2) (ω ,ω1 , ω2 ) E (ω1 ) E (ω2 )δ (ω ω1 ω2 )e iωt d ω1d ω2 d ω

非线性极化的宏观描述(上)

§2介质对光场的非线性响应

P(t ) =

P (2) (ω ) = ∫

+∞ ∞

非线性极化的宏观描述(上)

§3非线性极化的一般表示方法

1. 光场的频率展开 光场,电磁场

1 2

P(ω )e iωt dω

+∞

χ (2) (ω , ω1 , ω2 ) E (ω1 ) E (ω2 )δ (ω ω1 ω2 )d ω1d ω2

实数

单频光场 频率为 ω 的单色波 E (r , t ) = E cos(ωt k r + φ ) E ( r , t ) = 1 ε e i ( ω t k r ) + 1 ε * e i ( ω t k r ) 2 2

= 1 E (ω ) + 1 E *(ω ) 2 2

3.

介质极化的三阶非线性响应函数

P(t ) = P (3) (ω ) =

1 2 +∞ ∞

1 2

P(ω )e iωt dω

+∞

∫ ∫ ∫

+∞

χ (3) (ω , ω1 , ω2 , ω3 )

E (ω1 ) E (

ω2 ) E (ω3 )δ (ω ω1 ω2 ω3 )d ω1d ω2 d ω3

χ (3) ((ω1 + ω2 + ω3 ), ω1 , ω2 , ω3 ) =

E (ω ) = E * (ω )

∫ ∫ ∫

∞ ∞

+∞

+∞

1 ∞ 4

+∞

R (3) (T1 , T2 , T3 )eiω1T1 eiω2T1 eiω3T3 dT1dT2 dT3

E (r , t ) = 1 E (r , ω ) + 1 E (r , ω ) 2 2

非线性极化的宏观描述(上)

§3非线性极化的一般表示方法

多频光场 频率为

非线性极化的宏观描述(上)

§3非线性极化的一般表示方法

2. 介质极化

P = ∑ [ 1 Pi e i (ωi t ki r ) + 1 Pi * ei (ωit ki r ) ] 2 2 = ∑ [ 1 P(ω ) + 1 P *(ω )] 2 2

i i

ω1 , ω 2 , ω 3 ,

1 2 i

,ωi ,

i (ωi t ki r )

,ωn

E (r , t ) = ∑ [ ε i e

1 2 i

+ εi * e

1 2

i (ωi t ki r )

]

= ∑ [ E (ω ) + E *(ω )]

1 2

引入负频率

E (ω i ) = E * (ω i )

P(ω ) = P *(ω )

E (r , t ) = ∑ [ E (ωi ) + E (ωi )]

1 2 1 2

P = ∑ 1 P(ωi ) 2

i

E (r , t ) = ∑ 1 E (ωi ) 2

i

i


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