固体的光散射讲座 第四讲 非线性喇曼散射

非线性喇曼散射是指由于分子的偶极矩或激活介质的宏观极化矢量与光电场强度呈非线性关系,所引起的喇曼散射过程.在自发散射过程的理论描述中,振动着的分子体系的偶极矩可以写成其中q为分子振动的简正坐标,u为分子体系的固有偶极矩,α(q)称为分子体系的极化率,β(q)等则可称为超极化率.显然,上式中第二项所引起的喇曼散射是线性的,第三项以后各项所引起的喇曼散射则属于非线性的,其中由β(q)所引起的喇曼散射则称为超喇曼散射[1,2] 当人射光较弱时,自发的线性及非线性喇曼散射效应都非常弱,而且它们是非相干的散射.当人射的泵浦光较强时,再…     

关于透明电介质晶体的非线性折射率

近年来,光学由线性现象扩展至非线性现象,高功率激光的发展,使很多非线性光学效应容易出现,激起人们对研究非线性光学和材料的非线性光学性质的广泛兴趣。目前关于非线性光学的理论日趋完善,但我们不能满足于一般地描述材料的诸非线性张量,应该深入地了解其机制以及诸非线性系数和材料的原子、分子结构以及其他物理化学性质的关联,这是为广泛地寻找许多新的光学材料的物理判据。 透明电介质晶体的宏观极化矢量P可以表示为 P=X(1)E+X(2) E2 + X(3)E3十…,(1)其中 X为各次极化张量,E 为电场强度。不存在对称中心的晶体皆具有二次(三阶)极…     

基于蒙特卡罗模拟的散射介质中后向光散射模型及分析应用

构建了内光源模型探讨散射介质中的光散射现象,利用蒙特卡罗方法研究了逃逸出组织的后向散射光子数随光子在组织内部发生的散射次数的分布关系,探讨了光源照明方式、辐射强度、接收方式、调制等参数的变化对后向散射的影响,结果表明后向散射光子的数量随散射次数的分布并非简单的单调递增或递减,而是一条先增大后减小出现峰值的曲线. 峰值位置、峰值大小及曲线形状与光源、探测方式、组织光学特性参数等有关. 关键词： 医用光学与生物技术 散射介质 后向散射 蒙特卡罗模拟     

线性吸收介质非局域线性电光效应的耦合波理论

本文提出了线性吸收介质非局域线性电光效应的耦合波理论,建立了相应的耦合波方程组,并求解了该方程组.由此,可给出在任意方向外加电场的作用下,光在具有空间非局域响应的线性吸收介质中沿任意方向传播时出射光场的表达式.据此,研究了线性吸收是如何改变出射光场的两个偏振分量的振幅、相位和波形的.进一步讨论了线性吸收对电光强度调制的影响,以及如何测量一阶线性和二阶非线性极化率非局域响应的特征长度和介质的线性吸收系数.     

基于光子散射的功能成像技术

阐述了基于光子散射模型下的功能成像技术.运用蒙特卡罗方法对光子在介质中的散射路径进行了模拟和分析,从而引入光子散射的概念.通过对光子散射方程的解释引入了散射光子密度波的概念.通过无限大模型下光子密度波的波方程,引出光子密度波的异质模型.建立了基于消元的奇异值弱化重建算法,完成了对病态方程的求解,实现了对内嵌于均匀介质中异质的吸收系数分布图像的重建.在基于光散射成像技术所开发的成像系统平台下实现了异质小球的成像实验,对多个不同浓度的物体完成了成像,探测到介质中由于微小浓度改变而引起的吸收系数变化.     

光子晶体全反射贯穿偏振滤波器的理论研究

 为了研究1维光子晶体中光的全反射贯穿效应及其偏振滤波特性,利用传输矩阵法计算了TE波和TM波在大于全反射角入射1维光子晶体的透射率,发现在透射波中出现了全反射贯穿效应。研究了TE波和TM波的全反射贯穿效应随介质光学厚度和周期数的变化特征,表明：全反射贯穿峰的频率随介质光学厚度的增加而减少,全反射贯穿峰数与周期数相等。且全反射贯穿效应具有优良的偏振滤波特性,利用这些特性可以设计出结构简单、控制方便的1维光子晶体的偏振滤波器。     

有限开敞介质光子晶体的模式及其带结构分析

针对光子晶体在行波管中的应用,对有限开敞介质光子晶体的模式和带结构进行了分析和计算. 分析表明,有限开敞介质光子晶体中所能存在的模式包括EH和HE混合模式,如果是二维光子晶体,还存在E模式,E₁模式即为无限光子晶体中的E极化. 计算表明,被用作行波管慢波电路的光子晶体可以不必拥有完全带隙,而只需要具有带间隙即可. 关键词： 光子晶体 本征值方程 行波管 带结构     

光学腔增强光与冷原子耦合及自旋波读出效率的实验研究

在87Rb冷原子系综中,通过自发拉曼散射过程产生了光子与原子自旋波的关联对.利用光学腔增强光与原子的相互作用,使光子和原子自旋波关联对的产生率增加了3.8倍.同时,我们也研究了光学腔对原子自旋波读出效率的影响.结果表明,腔使自旋波的读出效率提高了1.5倍.本文的研究结果为下一步产生高恢复效率的光与原子量子纠缠提供了实验...     

电磁波极化的描述

电磁波的“极化”现象很早就被人们认识了,在光学中通常称之为“偏振”, 1670年,丹麦科学家 ErasmusBartholinus[1]关于双折射发现的论文中就用到了这个概念.“极化”或“偏振”是指在波动过程中,振动矢量偏于某些方向的现象.研究电磁波的极化不仅是理论上的重要课题,而且在工程技术上有着相当广泛地应用. 由于历史的原因,电磁波极化描述中有些术语尚不统一,甚至称呼相反,这应引起我们的注意.根据电矢量端点描绘椭圆的转向有“左”和“右”旋两种不同的极化.习惯上是以观察者迎着电磁波传播方向去看E的转向,如果是顺时针称为右旋极化,如果…     

利用二维光子晶体提高波的耦合效率

通过多重散射方法数值模拟研究和实验测量表明利用二维光子晶体可以提高波的耦合效率.研究发现,高的波耦合效率通常发生在光子禁带的边沿和其它非禁带区的某些频率处.当光子晶体的晶格常数接近于所传输的波的波长时,会出现很高耦合效率的共振耦合现象.利用二维光子晶体的情况下的波耦合效率最高可以达到不利用二维光子晶体时的1.89倍.这种现象在光集成器件中尤其有用.     

X光辐射在泡沫介质中超声速传输研究进展

X光辐射输运过程通过光子的发射与吸收使能量在介质内进行再分配,而光子的辐射和吸收过程对从介质内出射的能谱产生十分显著的影响。辐射输运由积分-微分方程来描述,得到它的解极其困难,这是因为此方程依赖于局域和非局域的条件。当外加的非局域的X光辐射场作用在介质上一个强的X光辐射能流时,介质的局域温度和密度将影响X光的吸收和发射。本文将对辐射输运的方程和基本理论进行阐述,并对辐射超声速传输的实验结果进行评述。首先,介绍辐射在介质中的传输的理论基础以及简化分析模型;其次,对辐射在介质中扩散超声速输运进行解析分析,我们首次导出辐射的超声速传输条件下的辐射能流与物质能流之比与马赫数和光学厚度的定量关系;最后,介绍国外的主要实验结果,同时也给出我们近期的研究结果。我们的实验结果表明,不同能区的光子因辐射不透明度不同使得在介质中的传播时间不同,并且实验测出光学厚度。     

X光辐射在泡沫介质中超声速传输研究进展

X光辐射输运过程通过光子的发射与吸收使能量在介质内进行再分配,而光子的辐射和吸收过程对从介质内出射的能谱产生十分显著的影响。辐射输运由积分-微分方程来描述,得到它的解极其困难,这是因为此方程依赖于局域和非局域的条件。当外加的非局域的X光辐射场作用在介质上一个强的X光辐射能流时,介质的局域温度和密度将影响X光的吸收和发射。本文将对辐射输运的方程和基本理论进行阐述,并对辐射超声速传输的实验结果进行评述。首先,介绍辐射在介质中的传输的理论基础以及简化分析模型;其次,对辐射在介质中扩散超声速输运进行解析分析,我们首次导出辐射的超声速传输条件下的辐射能流与物质能流之比与马赫数和光学厚度的定量关系;最后,介绍国外的主要实验结果,同时也给出我们近期的研究结果。我们的实验结果表明,不同能区的光子因辐射不透明度不同使得在介质中的传播时间不同,并且实验测出光学厚度。     

空间色散:旋光性、旋声性和其他

一般教科书中对物质的旋光性的阐述与晶休光学的电磁理论是割离的.只要认识到极化张量不仅是频率ω的,而且也是波矢k的函数(二者分别称为时间色散和空间色散),则电磁理论的线性物质方程不仅有比例于E的,而且也应有比例于 E的项;从后一项的存在,我们很容易导出旋光性.物质的弹性波现象中存在平行于旋光性的旋声性.本文介绍近年来国内外对旋声性的研究.最后提到电磁理论中非线性物质方程中比例于E E的项所产生的倍频效应及其实验观测.撰写本文的目的之一是为大学教学工作提供参考,并希望我国大专院校新编写的光学和电磁学教材在适当的章节里…     

一种新的量子态──压缩态的特性及实验研究

在经典理论中,光场可以用电磁波来描述.利用波的振幅、频率、波矢及相位,我们可以讨论光在介质中的传播、光与物质的相互作用以及非线性光学效应等.但是,当涉及到光场的,光子统计、光子反束聚以及涨落等问题时[1],光场的经典理论就显得不够了,必须借助于光场的量子描述.在这种描述中,人们引人光子湮没算符符　及产生算符　,由此讨论量子涨落等一系列问题. 由量子理论可知,任何一对满足关系式的物理量,是一对共轭量.根据海森堡测不准原理,它们的方均涨落之积必须大于或等于某个常数,即光子湮没算符 的实部x1及虚部x2也是一对共轭量,它们分别…     

准光学相位共轭器

近年来出现的相位复共轭光学[1],对于实时适应光学、非线性激光光谱学、光学信息处理、光学成象、超低噪声探测、光开关、光计算机、干涉仪和激光腔等领域的研究具有重要意义. 光学相位复共轭可分为非线性光学相位共轭和准光学相位共轭[2].准相位共轭(PPC)与非线性相位共轭(NOPC)相比,具有许多引人注目的优点:(1)对受激布里渊散射(SBS),反射波相对于入射波有频移,由此将产生附加的位相差,但准相位共轭器不产生频移;(2)对简并四波混频(DFWM),则有以下几种情况:若介质为共振介质,则入射光波须工作在共振峰附近,由此就限制了工作光的波段…     

激发态分子内质子转移有机分子HBT的三阶非线性光学特性

以532nm皮秒脉冲作抽运光,采用单光束Z-扫描技术对具有激发态分子内质子转移效应的有机分子2-(2′-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)在其双光子吸收区的非线性光学特性进行了研究.实验结果表明,对532nm波长的光,HBT分子存在明显的双光子吸收.通过拟合开孔Z-扫描实验数据,求解了HBT分子在其双光子吸收区的非线性吸收系数,并探讨了抽运光强度对介质双光子吸收效应的影响.采用高斯分解法,通过拟合闭孔Z-扫描除以开孔Z-扫描数据,理论推导并计算了在介质对抽运光存在非线性吸收的情况下HBT分子的非线性折射率,以及不同入射光强度时HBT分子的三阶非线性极化率实部和虚部的值.计算结果表明,理论分析与实验结果较好地符合,这些结果为进一步研究和开发此类材料的应用提供了理论与实验依据.     

关于光泵磁共振实验中的几个问题

光泵磁共振实验做为教学实验国内外已有不少文章介绍.本文对一些重要的实验现象如何观察与分析做一简单介绍.涉及方面有:1.光吸收与磁场方向的关系;2.验证光子的态迭加原理;3.观察二级     

光热偏转光谱法

一、引 言 介质吸收光子时,部分激发能由无辐射跃迁产生热.周期性变化的单色激励光束由光学加热区表面吸收使之变热,引起周期性的温度变化,并使介质折射率相应地改变,在邻近介质表面的区域形成折射率逐点变化的梯度场,这种现象称为“幻影”效应[1].当用另一光束探测时,变化的折     

波谱学发展近况

一、引 言 广义来说,物质与电磁波相互作用,产生各种频率的吸收线、散射线或发射线,称为物质的谱线,研究谱线的特征及其与物质结构和运动状态关系的科学称为波谱学.图1列出物质与电磁波相互作用的一般特征[1]. 从图中看出,波谱学涉及到电磁波各个波段,联系到物质各个层次和运动状态,范围相当广泛.但历史上波谱研究是从可见光开始的,习惯上人们把光频段的称为光谱学,涉及微波及射频波段的称为波谱学.然而近代科学技术的发展已经把光频段和微波射频段的波谱现象结合起来研究(光学—微波、射频双共振),特别是激光出现以后,射频波谱的一些概念,…     

光前驱波

文章回顾了近一百年来光前驱波的研究历史及最新的进展.自爱因斯坦的狭义相对论发表以来,真空中的光速不变原理已经被广泛地接受.然而对光在介质中的传播速度,由于复杂的色散关系,却一直存在不同的解读,尤其是对光载信息传播速度以及单个光子的运动.光前驱波的研究旨在回答这个问题.作者和其研究团队在最近的研究中找到了前驱波在光学波段的清晰的证据,并首次发现了单光子波包里的光前驱波.研究结果表明,光载信息传播速度不可能超光速,单光子的运动满足真空光速极限原理,即便是在所谓的“超光速”(群速度超光速)介质中.