非线性光学与光子学的应用及科学意义

非线性光学与光子学的研究之所以受到重视并获得迅速的进展，一方面是由于激光技术本身的发展提供了种种可能性；另一方面，也是由于开展这方面的研究工作，具有很大的实际应用价值和深远的科学意义。

1）提供了产生强相干光辐射并扩展其波段的新手段

到目前为止，在一定频率的激光作用下，可分别通过光学倍频、混频、参量振荡以及受激散射等效应，在新频率处产生相干光辐射（在某些情况下它们还是可以调谐的）。这种新辐射在本质上与入射激光性质相同，因此扩展了产生相干光辐射的新物理途径和新技术。人们现在正利用这种技术来填补各类激光器件发射波长之间的空白光谱区，并努力向更长的波段（远红外至亚毫米波）和更短的波段（真空紫外至软X射线）开拓。

2）解决激光技术本身提出的一些课题

很多重要的非线性光学课题，是在激光技术本身发展过程中提出来的。例如激光在工作物质内的自聚焦与感应折射率畸变，影响到激光输出亮度的提高和场图的均匀性，自聚焦、受激布里渊散射、光学击穿等效应还可能导致工作物质的破坏并影响到激光束的正常传播；受激布里渊散射等效应引起激光核聚变打靶的馈入能量损耗等。对这些课题开展研究，有助于寻找克服种种不利影响的方法和措施。

3）提供了一批新方法与新技术(www.xing528.com)

非线性光学的研究成果，比较多地表现为它们能很快提供一批实际可用的新方法与新技术，例如非线性饱和吸收效应用于染料调Q开关和被动锁模，还用于激光稳频以及饱和吸收光谱学中；双光子吸收用于超短光脉冲测量、消多普勒加宽光谱术以及光学限幅技术；光学击穿用于触发快速火花隙电开关；光学相位共轭技术用于波面畸变补偿；激光感应折射率变化用于信息存储以及制成双稳态元件；强光自调制与自加宽用于产生超短光脉冲或超光谱加宽相干辐射；自相位调制可用于光纤中产生光学时间孤子，由此可控制激光脉冲的脉宽和形状，还可用于远距离高比特速率光纤通信；多光子激发及其敏感材料，应用于频率上转换三维（3D）显微成像、三维信息存储和三维显微物品制造等。

4）是开展深入基础研究的一种重要手段

通过强光与物质相互作用的研究，可以获得有关物质的组成、结构、状态、能量耦合及转移、各种内部变化动力过程的重要信息，这些信息可在不同程度上分别反映出物质的光学、电学、磁学、声学、力学、热学、化学、生物学等方面的特性。利用强激光作用，可以研究多光子激发过程、相变、超导、元激发、液晶、表面物理、高温等离子体等方面的问题；还可以使物质按人们所希望的方式发生各种变化，如加热、制冷、压缩、冲击、熔化、汽化、溅射、膨胀、破坏等。此外，还可以进行激光核聚变、同位素分离、光聚合、可控化学反应等。

5）是促进基础理论发展的一种动力

非线性光学与光子学这一新学科出现的本身，就是对物理学基础理论的一种促进和发展。虽然到目前为止，这一学科的研究发展尚未导致有与近代物理学两大根本支柱（相对论和量子力学）不相符合或抵触之处，但这并不排除这门学科今后进一步发展会对已有理论基础产生新的冲击的可能性。回顾一下19世纪末20世纪初的物理学发展历史就可知道，正是人们在深入探索光的传播（迈克耳孙莫雷实验）以及光与物质相互作用规律性（黑体辐射、光电效应、原子线状光谱）的过程中，才最后导致相对论和量子论的诞生。现今，在处理有关光与物质相互作用的量子力学或量子电动力学理论中，仍然是基于入射光对原子的作用是弱微扰这样一种前提，而采用数学上的微扰近似加以处理的。如果说这种假设对弱光作用是基本适用的话，那么它对强光和超强光作用是否仍然适用？这显然就是一个值得进一步思考的问题。又例如，在强短脉冲激光的自聚焦效应和自感应透明效应研究中，曾涉及运动焦点的超光速运动和增益介质中自透明脉冲的超光速运动等命题。此外，在当前和今后的某些基本物理课题研究中，诸如有关“快光”与“慢光”效应、分数光子吸收效应以及与爱因斯坦广义相对论有关的原理验证试验等研究中，激光与非线性光学技术，仍然可能起着独特的促进作用。