非线性光学（Nonlinear Optics）是光学的重要分支，主要研究光在偏振密度与光的电场发生非线性作用的介质中的特性及相互作用。本文将详细介绍非线性光学的基础知识，包括其核心原理、主要研究领域及实际应用。

非线性光学晶体通过偏振滤波器的红色激光交叉双折射图案。图片来源：Yury Zap/Shutterstock.com

非线性光学的发展历程

非线性光学（Nonlinear Optics）诞生于 20 世纪 60 年代，随着激光技术的出现而逐步发展。经过多年演进，它已成为一个充满活力且快速增长的领域，在光子技术的发展中发挥着关键作用，广泛应用于光计算机、光信号处理、传感器、超快开关、激光放大器及超短脉冲激光器等领域。

非线性光学的基础物理学原理

光学作为物理学的分支，研究光的行为和属性，涵盖从金属表面光反射到图像生成等多个主题。

• 线性光学：光的强度直接决定介质的反应，例如透明介质（如水或玻璃）的折射率会随光的强度变化而变化。
• 非线性光学（Nonlinear Optics）：核心在于光的电场与介质反应之间的非线性关系。介质的反应取决于光的波长、强度、方向和偏振。
  
• 当光的电场与介质中的电子和原子相互作用时，会产生非线性反应。高强度光束能电离介质中的原子，改变介质的折射率并产生新的频率，进而引发频率混合、频率加倍、光学孤子、参数放大等多种光学现象 —— 这些都是非线性光学的典型特征。

非线性光学的应用领域

非线性光学（Nonlinear Optics）的应用广泛，对日常生活产生深远影响，涵盖电信、商业激光器、传感器、制造业、医学、科学仪器和材料加工等多个领域。

电信领域

在光纤通信发展初期，非线性光学就被发现是制约单根光纤数据传输量的主要因素。它会限制传输距离，以及随激光功率提升可同时传输的数据率。这一限制最初在海底光纤应用中显现（因光纤长度极长），但如今，非线性光学已成为设计先进光纤系统的关键依据。

分析工具领域

将非线性光学与显微镜结合，能有效分析材料变化。例如，共聚焦显微镜可在微观层面提供生物过程和系统的体内分析，而非线性光学技术能进一步提供局部功能信息和更高分辨率的图像。

激光器与相干光领域

在激光腔中加入非线性光学元件，可创造新型激光器及应用，实现对激光时间特性和颜色的修改；将非线性光学元件置于激光腔外，还能改变发射光的相干性。

光学成像领域

非线性光学成像是分析药物的重要工具，它利用受激拉曼散射、二次谐波产生、双光子激发荧光、相干反斯托克斯拉曼散射等光学现象，具备固态与化学特异性、非侵入性分析、高光学时间和空间分辨率，以及在生物和水环境中无需标签且兼容性强等优势。

图片来源：Yury Zap/Shutterstock.com

非线性光学的研究领域

非线性光学（Nonlinear Optics）系统结构简单，是研究非线性模式形成等普遍概念的理想试验场，主要研究领域包括：

图片来源：Yury Zap/Shutterstock.com

非线性光学的研究领域

非线性光学（Nonlinear Optics）系统结构简单，是研究非线性模式形成等普遍概念的理想试验场，主要研究领域包括：

生物光子学

生物光子学探索生物材料与光的相互作用。相比线性光学，非线性光学为生物系统研究提供诸多优势：近红外激发可在最小光损伤下深入组织；非线性信号的依赖性可实现内在三维光学切片；利用选定生物分子的内在非线性光学反应，能获得活体组织的无标签生化对比。

太赫兹光子学

非线性光学对太赫兹（THz）技术的进步贡献显著，可通过光学整流产生宽带单周期太赫兹脉冲。超快激光器与非线性光学的技术突破，能产生峰值电场超过 10?V/m 的强烈单周期太赫兹脉冲，为探索太赫兹光谱范围内的新型非线性光学效应、研究单周期制度下的超快非线性现象提供独特条件。

量子光学

非线性光学是控制和设计量子网络互连的重要工具。例如，在混合量子网络中，当节点工作在不同波长时，量子频率转换器或纠缠光子对之类的互连装置可实现节点间通信，而这些装置的核心正是非线性光学效应。目前，研究人员正将非线性光学、集成光子学与量子技术结合，以开发电信波长上的新型集成量子光学器件，推动现代量子通信和计算应用发展。

布里渊散射

布里渊散射是一种涉及光与声音相互作用的非线性光学现象，自非线性光学发展早期就备受关注。它已推动微波处理、传感、快光与慢光、光学相位共轭、高相干源产生等领域的技术进步。

非线性光学：创新与研究的跨学科前沿

非线性光学（Nonlinear Optics）通过实现先进激光器和相干光源、提供高分辨率光谱学、赋能微机械加工、高容量电信及新材料分析工具，彻底改变了光学领域。

作为一个高度活跃且动态发展的领域，非线性光学自诞生以来经历了重大研究突破，其研究尺度涵盖微米到纳米，包含经典与量子现象，已发展成为跨学科领域，诸多概念突破了传统学科界限，持续推动着科技前沿的创新。

更多资料

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Lembrikov, B. (2019). Introductory Chapter: Nonlinear Optical Phenomena. Nonlinear Optics - Novel Results in Theory and Applications. https://doi.org/10.5772/intechopen.83718

Garmire, E. (2013). Nonlinear optics in daily life. Optics express, 21(25), 30532-30544. https://doi.org/10.1364/OE.21.030532

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Written by Owais Ali