非线性光学与光子学-非线性光学与光子学

光学章动（optical nutation）效应，是核磁共振技术中自旋章动效应在光频范围内的一种推广或模拟［73～75］。这种效应的特点是，以一个前沿上升时间极短的方形激光长脉冲入射到某种共振吸收介质中，介质对入射光并不是简单地呈现出平稳的吸收，而是经历一段有限的弛豫振荡式的反应，而后才过渡到稳定的状态。在实验上的表现则是，以方形长脉冲激光入射，经过共振介质后的透射光脉冲不再是简单的方形长脉冲，而是在其时间波形的前沿部分呈现出周期性的减幅振荡，如图10-11所示。起伏振荡的频率随入射光场的增强而提高，起伏振荡的阻尼时间则由介质的横向弛豫时间T2所决定。

图10-11　光学章动效应(https://www.xing528.com)

（a）方形入射光脉冲波形；（b）经吸收介质后的透射光脉冲波形

光学章动效应的物理实质，是反映了在瞬态相干作用条件下，强相干光场与共振介质相互作用与能量交换过程中的弛豫振荡性质。以共振吸收介质为例，在强光场刚开始入射的瞬间，大部分工作粒子被同步激励到高能级，此时伴随着入射光能的明显吸收；稍过一时刻，处于激发态的大部分工作粒子在入射光场作用下以受激（相干）发射方式重新辐射出光能并回到低能级，此时伴随着透过光强的明显增加。上述过程的重复进行，就导致透射光强的周期性振荡起伏。如果进一步考虑到共振介质激发态粒子有限失相位时间特性的影响，则自然可以想象，上述涉及强光场与介质粒子体系间相干作用的振荡行为只能发生在小于T2的时间尺度范围内，因此起伏振荡具有有限的阻尼时间特性。为了对光学章动效应的发生规律给出更严格的定量描述，下面以具有二能级结构的共振吸收介质为例进行分析。为此将引用布劳赫方程的求解方法，这种处理方式在本质上与本章前两节所采用的数学描述方法是相同的。只不过布劳赫方程原来曾成功地用于核磁共振领域，具有它特殊的符号表现形式以及图解形式。现在人们把布劳赫（Bloch）方程方法推广到光频波段，它不但可用于光学章动效应分析，同样也可用于光子回波、自感透明、自由感应减衰等瞬态相干光学效应的分析。