介质感应电极化的物理机制：非线性光学与光子学的成果

人们已知道，光频电磁场在介质中引起感应电极化效应的物理机制可以是多种的，其中主要包括以下几种可能的贡献。

（1）电子云畸变。是指在光场作用下，组成介质的原子外层电子云偏离非微扰状态的微小畸变；或者是指组成介质的分子在忽略其内部原子核（或离子）相对位置变化的前提下，其外层电子云的畸变。这种过程的响应时间极快，为（10-15～10-16）秒量级，亦即远小于可见光周期。

（2）核运动贡献。是指在光场作用下，组成介质的分子内部原子核（或离子）之间的相对运动（振动、扭曲或键角变化）所引起的对感应电偶极矩的附加贡献。这种过程的响应时间为（10-13～10-14）秒量级。

（3）再取向贡献。是指组成介质（主要指液体）的各向异性分子在外界光场作用下，重新做规则再取向运动（光频克尔效应）而导致的感应电极化的附加贡献。过程的响应时间为（10-12～10-13）秒量级，依赖于液体分子转动阻尼的大小。(www.xing528.com)

（4）感应声学运动贡献。在外界光场作用下，光学介质内部可通过电致伸缩机制产生宏观声学振动，进而可对介质感应电极化产生附加的贡献。这种过程的响应时间为（10-8～10-9）秒量级，随介质的物态（固体、液体、气体）而定。

（5）粒子数按能级分布变化的贡献。介质的电极化效应与组成它的粒子（分子或原子）按不同本征能级上的分布状态有关。在强共振作用的情况下，光场可使粒子数在不同能级上的分布发生变化，从而可导致介质感应电极化的附加变化。这种贡献机制的响应时间和弛豫时间，与所涉及的共振跃迁过程的具体动力学输运特性有关，一般慢于上述第一、第二两种贡献过程。

在不同的实验条件下，对不同种类的非线性光学效应而言，以上所述各种不同物理机制所产生的具体贡献的相对大小可有很大不同。电子云畸变对感应电极化过程的贡献，存在于几乎所有各种类型的非线性光学效应过程之中。特别是对诸如二次、三次光学谐波以及光学和频这类非线性混频过程而言，电子云畸变是唯一需要考虑的贡献，因为只有这种机制的响应时间可跟随得上光学频率的变化。如果作用光场的持续时间远大于光频周期和分子内部运动的变化周期，则上述第二种贡献可能成为主要的贡献，利用分子拉曼振动增强的一些非线性混频和折射率感应变化效应，就是基于这种原理。如果作用光场的持续时间远大于液体介质内各向异性分子的感应再取向的响应时间，则对某些特殊的非线性光学效应而言（如受激克尔散射以及克尔效应增强的折射率感应变化效应），上述第三种机制的贡献则是最主要的。如果作用光场的持续时间远大于透明光学介质内通过电致伸缩效应产生的感应特超声波的变化周期，则上述第四种机制的贡献，对某些非线性光学效应（如受激布里渊散射、自聚焦、光学击穿破坏）而言，有可能成为主要的贡献。至于上述最后一种机制的贡献，对大多数非共振或者弱共振作用而言，往往可以忽略，因而也不构成本书内容的重点。对于某一种被研究的具体非线性电极化过程而言，如何区分出多种可能的物理机制贡献的相对大小及其不同的时间响应特性，乃是研究工作者需要解决的实际课题。