线性光学的定义与特点与非线性光学与光子学

在20世纪60年代激光技术出现以前，传统光学在描述光在介质中传播的过程中出现反射、折射、色散、散射、双折射等现象的理论基础是经典电动力学。

激光出现以前，在一些描述普通光学现象的重要公式中，常表现出数学上的“线性”特点。例如，在经典电动力学框架中，为描述电磁场与介质间的相互作用，而必须引入一个重要的物理量，亦即介质的电极化强度矢量P，它被定义为入射电磁场在介质单位体积内引起的感应电偶极矩之和，并假定它与入射光波电场强度E成简单的线性关系，亦即

式中，ε0为真空中介电常数，系数χ为介质的电极化率。与上述基本假设相联系，描述光在介质中传播与相互作用的宏观麦克斯韦方程组，也是一组线性微分方程组，亦即方程中只含场强矢量的一次方项。根据这样的理论假设，单一频率的光入射到非吸收的介质中，其频率不发生任何变化（频移散射现象除外）；不同频率的光同时入射，彼此间不发生相互耦合作用，也不会产生任何新的频率的光。

还可以举出一个“线性”例子。设一束光强为I的普通光，入射到一定的线性（单光子）吸收介质后，它在单位传输距离上的光强衰减，简单地正比于该处光强，即

则可表示为

式中假设介质的吸收系数α为常数，从而可看出，在经一定距离z=l后的透射光强I（l）是与初始入射光强I（0）呈线性关系的，因而透射率T=I（l）/I（0）与光强无关。(www.xing528.com)

又例如，就普通的光学干涉仪装置而言，在入射光波长、角度以及干涉仪反射镜间距等外界因素给定的情况下，整个干涉仪装置对入射光而言的光学透过率为常数，亦即透射光强与入射光强之间恒保持线性关系。以法布里珀罗干涉仪为例，其透射率为［1］

式中，F是一个由干涉仪反射镜反射率决定的常数因子，相位差因子δ可表示为

式中，λ为在真空中的波长，L为两反射镜间距，θ为光线与镜面法线的夹角，n（λ）为干涉仪腔内介质折射率。如果认为n（λ）是与光强无关的介质常数，则干涉仪透射率T亦与光强无关，这意味着透射光强（It）与入射光强（I0）成简单的线性关系，即

上述这些结论，都已被普通的光学实验所证实，也容易被人们理解而接受。

基于上述原因，人们也把激光出现以前、有关普通光的传播及其与物质相互作用的现象称为线性光学效应，相应的光学理论称为线性光学理论。