非线性光学与光学纤维

首先，概括和总结形成光学非线性的条件。

在半经典性阐述光在电介质材料中的传播原理时认为，光学电场驱动该材料原子/分子内的振子，并且这些振子成为该场的第二级辐射体，初级和第二级的场矢量相组合形成合成波。该波的相位（不同于初始波相位）决定着光的速度（与自由空间的速度不同），振幅决定着材料的散射/吸收系数。

当第二级振子受到非线性响应驱动时，就会出现非线性特性，振荡就成为非正弦形式。傅里叶理论表明，在这些条件下，将会产生不同于初级波频率的光学频率（见图9.1）。

这表明了给定频率处所允许的正弦振荡范围，所以满足此条件所需要的场就取决于材料结构。显然，当光学频率接近固有谐振频率时，就比较容易产生大的振荡振幅，期望的非线性得到加强。为在材料中产生非线性而需要的电场范围非常大，大约从10⁶～10¹¹V/m。后者可以与原子电场相比。然而，即使是较低数字也对应着约10⁹W/m²的光学强度。实际上，这只有激光光源才有可能实现。因此，就是由于1960年发明了激光器，才真正开始了非线性光学的研究。

某种给定非线性效应的量值取决于光学强度、能够维持该光强度的光路及表示该效应的系数大小。(www.xing528.com)

如果是整块材料，非线性度的大小受到衍射效应的限制。若功率为P（单位为W）和波长为λ的一束光聚焦成半径为r的一个光斑，那么强度P/πr²可以在约r²/λ的2倍范围（瑞利距离）内保持稳定。超出该范围，衍射会使强度迅速下降。因此，强度与距离的乘积约为P/πλ，与r和传播长度无关（见图9.2a）。

图9.2　非线性的强度-距离乘积

然而，若是光纤，小直径纤芯中的波导性质可以保持长达几公里范围内有很高的光强度（见图9.2b）。这个简单例子就可以使光纤中的非线性量要比整块材料大许多数量级。此外，为了使总的效应达到最大值，单位传播距离上的各种分量效应必须在总路程范围内是相干相加的。这就意味着，在整个传播路程中对相位相干性有一定的要求，这就意味着这是一种单传播模式。一般来说，必须使用单模而不是多模光纤。