摘要：非线性光学是现代光学的重要组成部分，随着超快激光器的飞速发展该研究得到了重大推进，成为光学中的重要分支，在普通物理的光学教学中引入非线性光学是非常有必要的。文章通过介绍非线性光学的原理及其发展历程，给出了非线性光学在光学教学中的一点建议，期望对初学者以及教育工作者有指导作用。
关键词：非线性光学；激光；光学教学
中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1002—7661（2012）20—009—02
一、引言
非线性光学诞生于20世纪60年代激光出现以后[1]。激光作为一种强光光源，其电场强度可以达到或超过介质分子、原子内部的电场强度。在这种强光场的作用下，介质分子、原子的状态发生改变，使介质对光场呈现出了非线性响应，因而，表现出各种非线性光学现象[2]。随着对非线性光学研究的深入，在各类光学教科书中开始介绍非线性光学，但有些教材在介绍非线性光学时只见大量的数学公式，繁复的张量运算，没有强调基本概念和浅显的物理图像，初学者觉得较难接受。因此，在光学教学中，尤其在面向大学新生开设的普通物理光学基础课教学中，需要把非线性光学中一些最基本的、重要的原理和概念定性和半定量地介绍给学生，多介绍一些非线性光学应用中的最新成果，激发学生的学习兴趣。
二、非线性光学在光学教学中的应用
1、非线性光学介绍
当光在介质中传播时，介质中的原子或分子被光电场极化成振荡偶极子，它们也成为电磁波辐射源，发出次级波。介质的电极化强度P与入射光的场强E成幂级数关系[3]：
其中：
P（1）=为线性电极化强度，对应着经典光学现象。
为二阶非线性极化强度。
为三阶非线性极化强度，依次类推。
在高强度的激光的作用下，由于光的电场强度极大，非线性项的作用就不能忽略，如二次项产生倍频光，便可以实际观测到。这些与强激光有关的效应，称为非线性光学效应，具有非线性光学效应的介质称为非线性光学材料。非线性光学频率转换效应包括倍频、和频以及差频等方面，用于拓宽激光波长的范围。
物质是由分子构成的，分子是一个带电体系，分子中的每个电荷都可想象成集中于一点，即“电荷的重心”。如果分子的正负电荷重心是重合的，则称此类分子为非极性分子；反之，称极性分子。极性分子在外场作用E下将发生极化，这是分子取向和变形的结果。各种无机晶体等电介质，在外电场的作用下表面或内部也会出现电荷，发生极化现象。同样，光是一种频率很高的电磁波，当它通过透明介质时将引起介质中原子（分子）的极化。由于光波场是交变的电磁场，故原子（分子）的极化也是交变的，从而形成极化波，并由极化波发射同频率的次级电磁波，其极化强度同入射光波场的强度、介质的结构密切相关。这种相互关系产生了两种本质不同的介质极化状态，即线性极化和非线性极化。物质在弱光电场（比原子核和电子之间的电场弱得多）作用下，只能产生线性极化，由振荡偶极子产生与光波电场频率相同的极化波，从而辐射同频率的次级电磁波。其表观特征为不同单色平面波服从独立传播原理；当它们在介质中相遇时，服从线性叠加原理。当物质在很强的光波（能与原子核和电子之间的电场相比拟）作用下，在产生线性极化的同时，出现二次、三次等非线性极化。由于非线性光学在现代激光技术、光学通讯、数据储存、光信息处理等方面显示出诱人的应用前景，因而国内外关于非线性光学晶体材料的研究一直非常活跃。近几十年来寻找非线性光学特性强而响应速度极快的新型材料成为非线性光学领域的主要研究课题之一[4]。
2、非线性光学的发展过程
1961年到1970年是非线性光学发展的早期十年，1961年Franken将红宝石激光束入射到石英片上，发现出射的光束中不仅有红宝石的694.3nm光束，在紫外区还存在另一条波长为347.2nm的光谱线，其波长正好是红宝石激光波长的一半，这个实验结果揭开了非线性光学研究史上的第一页。此后，许多重要的非线性光学现象，如和频与差频的产生、光学参量振荡、受激散射与自相位调制等相继在实验中被观测到[5]。
自1971年至1990年，是非线性光学深入发展的时期。在这20年中，许多新的非线性光学效应相继被发现。新型的非线性光学晶体材料的试制成功，微秒激光器件的广泛使用以及飞秒激光器的研制进展，使得利用超快脉冲进行非线性光学的研究得到重大推进。
90年代以后，非线性光学在几个方面取得了重大的进展。最引人注目的进展之一是基于80年代皮秒（ps）和飞秒（fs）全固态激光器的研制成功及高质量非线性光学晶体的发现，光学参量振荡（OPO）和光学参量放大（OPA）技术在ps和fs调谐激光及连续波调谐激光方面得到实际应用。第二个引人注目的进展是由于fs激光器的研制成功，可利用非线性光学效应来研究各种材料中的超快过程，另外利用fs激光还可研究化学反应中的超快动力学过程和生物学中光合作用的原初过程。除此之外，90年代以来，高分子和纳米材料的研究、时间和空间分辨的非线性光学测试技术等方面都取得一定的进展。
3、非线性光学在光学教学中的建议
进入21世纪，光学已成为现代物理学和现代科学技术最活跃的
学科之一，但目前高等学校基础物理学的光学教学，还远远落后于飞速发展的形势[6]，光学教材的内容基本上是以经典光学知识为主，引入现代光学知识较少，非线性光学的引入也是只做简单的介绍或者给出复杂的公式推导，学生很难有个整体的把握。因此，在光学教学中，要适当处理好经典光学理论与现代光学科技知识的关系，做到既强化基础理论和基本技能的训练，又要使学生较多地了解现代光学前沿课题，对于非线性光学的知识，可以较浅显地介绍其原理，多介绍发展历程和其中产生的一些有趣的物理现象和研究课题，从而达到激发学生的学习兴趣，培养学生的科研意识和以后的科研创新能力，使光学教学紧跟现代科技发展的步伐，为国家培养更多的具有较高素质的科技人才。
三、结论
非线性光学是现代光学的前沿知识，随着超快激光器的飞速发展使得利用超快脉冲进行非线性光学的研究得到重大推进。在普通物理光学的教学中，教师应该适当增加非线性光学知识的介绍，通过介绍非线性光学的原理以及发展历程，使学生对这个领域有一个整体的把握，激发学习兴趣，切忌太深入太枯燥或者太浮浅。本文通过简要介绍非线性光学的原理以及其发展过程，给出了非线性光学在光学教学中的一点建议，期望对初学者以及教育工作者有指导作用。作者：蒋相站，姚洪斌，栾海燕，本文来自《光学学报》杂志
