强相干光辐射与物质作用：非线性光学与光子学的特点

按照光场传输成像理论，光束经过任何普通的光学成像系统，均不可能提高其光束的亮度。与此相应，按统计物理学的观点，在统计相空间内与给定光子集合相对应的总相体积不能被压缩，亦即总光子状态数不能被压缩，因此在总光子数不变的条件下，光子简并度亦不可能经过普通光学系统而得到提高。但利用受激辐射、受激散射以及相干光非线性混频等原理，均可从根本上突破上述限制，从而可以实现光的相干放大或振荡。

另一方面，按照电磁场理论，所考虑的准单色、准平行激光束的光强在数值上等于光场能流密度（坡印亭）矢量的绝对值，并且对各向同性的均匀光学介质而言，可通过以下关系将激光束光强与激光电场强度的绝对值联系起来。

式中，n0为介质相对真空而言的折射率，E为准单色、准平面波的电场强度。由式（1-12）可以看出，借助适当的光学系统（如缩孔望远镜或聚焦系统），可以通过压缩光束截面S，较大幅度地提高激光光强I，从而可相应提高激光电场E的数值，这在很多非线性光学效应的观察实验中都是必要的。

表1-1列出了激光作为一种强相干光与普通光源发光参数的数值比较。由此可明显看出，与普通光辐射相比，激光在单色定向亮度数值上和光子简并度上，有1010～1019以上倍数的提高。在此基础上，采用光束缩孔或聚焦技术，可进一步获得更高的光功率密度数值和光频单色电场强度数值。从以上的意义上来说，或者从光对物质相互作用并使后者发生变化的能动潜力上来说，激光与普通光的区别，很相似于热核爆炸（如氢弹）与普通炸药爆炸（如手榴弹）能力之间的区别。因此，有理由说，普通光是一种弱光（以其光子简并度远小于1为标志），它所能提供的光波场强与组成介质的原子内部场强相比是非常小的量，因此电极化强度表示式（1-7）中除第一项外，其余各项均可忽略。与此相应，采用量子力学理论处理时，把入射光视为很弱的微扰而取一级近似往往就足够了。而激光辐射则是一种强相干光（以其光子简并度远大于1为标志），它所能产生的光频电磁场强达到可与原子内部电场相比拟或更高的水平。此时电极化强度表示式（1-7）中各非线性分量不能再忽略。与此相应，在采用量子力学理论处理时，往往需要采用二级以上的微扰近似。(www.xing528.com)

表1-1　激光与普通光辐射的参数比较

从量子统计学的观点来看，当光子简并度远小于1时，光对物质的作用主要表现出散弹噪声式的特性；而当光子简并度远大于1时，光对物质的作用主要表现出相干的波动场的特性［15］。这也是对很多非线性光学效应（特别是相干混频效应）产生物理根源的一种更为深刻的理解。

综合而言，一方面，借助于激光技术发展的已有成就，人们可在很大程度上和很高的质量水平上来控制和改变激光辐射的各种参量（如功率、发散角、脉冲宽度、波长、谱线宽度、偏振状态等）；另一方面，可用来与激光发生作用的物质的种类（无机物、有机物、生物），物态（固体、液体、气体、等离子体、液晶体等），作用对象（晶格、网络、分子群、分子、原子、离子、原子核、电子、色心、声子、激子、极化激元、等离子激元、纳米粒子等）又是如此广泛和如此多样化。因此，不难理解，为什么在激光出现后的几十年里，人们会发现如此之多的新现象与新效应，它们分别涉及强光在物质中引起的光-光作用、光-电作用、光-磁作用、光-声作用、光-热作用、光-力学作用、光-化学作用、光-生物作用等。在激光与物质发生上述各种作用过程中，除了表现出作用的能动性或有效性特点外，根据需要，还可使这些过程具有共振或非共振选择性、高光谱分辨率、高时间分辨率、高空间分辨率和高灵敏度等特点，从而可向人们提供更多的富有价值的科学信息。