一、课程基本情况说明
1． 学分 学时： 40
2． 课程性质 专业课
3． 适用对象 光学工程专业研究生
4． 先修课程 普通物理、电动力学、量子力学、固体物理
5． 首选教材 非线性光学物理 ----叶佩弦（结构简洁，逻辑清楚，适合教学和自习，尤其是第一遍教学为基础的学习）
6． 参考教材
非线性光学原理--- 沈元壤（经典书籍，原生性工作， 偏重理论，要求较高的电动力学、量子力学基础）
非线性光学------ 石祥顺、陈国夫等（内容较全面，高阶非线性、超短脉冲应用、飞秒激光器部分有特色）
强光光学及其应用------刘颂豪 赫光生（提供非线性光学与激光技术的相互关系的视角）
7． 教学方式
课堂教学 讲授阐述基本的知识点、物理模型和理论体系
组织文献阅读、课堂讨论和讲评 力求让学生学会运用所学的基本理论，理解相关文献中的工作内容，学会分析别人的工作思路、分析方法
二、教学目的及要求
1. 掌握非线性光学的理论模型和分析范式，包括
在认识非线性光学现象的基础上，理解其非线性极化机制；理解掌握分析非线性极化的数学工具(非线性极化率的宏观和微观表述)；掌握耦合波方程的定量分析方法，能够理解和运用实现非线性过程的位相匹配条件；掌握实现位相匹配条件的双折射位相匹配方法和准位相匹配方法，理解他们的原理、实现方法和各自的优缺点，了解它们的不同应用方式、场合；
2. 运用理论模型和工具分析非线性现象，包括
二阶非线性光学效应
和频、差频、倍频等二阶非线性光学现象及其应用，激光频率变换（上转换、下转换），光参量放大和光参量振荡，级联非线性和全光开关，一次电光效应（普克尔斯效应，可看成特殊的二阶非线性光学效应，将静电场视作频率为零的光电场，它与入射光场的相互作用视为二阶的光场相互作用）；
三阶非线性光学效应
三次谐波产生，克尔效应（二次电光效应），光克尔效应（自聚焦/自散焦，自相位调制及应用），四波混频（相位共轭波的产生）、双光子吸收、受激拉曼散射、受激布里渊散射、光学双稳、非线性吸收、光开关
3. 其他复杂的非线性光学现象的分析
光折变效应；超连续谱产生和应用；{电磁感应透明（EIT）；光学瞬态相干效应等}
三、各部分内容的知识点、逻辑线和课时分配
第一部分 绪论 ：
典型的非线性光学现象—>与电磁波传播线性叠加原理的矛盾之处—>背后的原因和机制—>介质对强光场的响应è非线性光学发展的历史（与激光技术发展的联系，结合点在强光场）--> 各种非线性光学效应的发现-->非线性光学理论框架的建立-->非线性光学效应的应用è非线性光学研究的现状、动态 包括 材料的非线性特性优化，包括材料的结构、功能设计，材料的加工、制备、分析方法和手段-->功能性器件或系统-->应用系统 -->获得诺奖的研究前沿举例： 激光冷却原子技术（多普勒冷却-->偏振梯度冷却—>蒸发冷却-->玻色爱因斯坦凝聚-->原子钟、时间标准、空间导航、卫星通信/测量、高分辨光谱、基础物理理论）和飞秒光梳（测量激光绝对频率的思路；产生光频梳齿、测量光频梳齿间隔和零点漂移频率、精确测量待测光与光梳拍频）
课时分配 6-8学时
第二部分 非线性光学的基本理论范式：
处理光与物质相互作用的理论方法；
经典理论， 原子核与电子的相对运动用简谐振子描述+光场的经典电磁波描述
半经典理论，量子力学描述原子运动+光场的经典电磁波描述
全量子理论，将光场也做量子化处理，二次量子化，量子电动力学描
光电场描述的基本数学；
光电场的复振幅描述，“负频率”的引入，光电场的傅里叶变换
非线性极化强度的引入和宏观表述;
非线性极化率的宏观表示及其唯象含义（矢量—>矩阵-->张量-->张量的阶数-->各个频率指标、空间角标对应的含义）；
非线性极化率的微观表示；
光场中的简谐振子-->密度矩阵-->非线性极化率的微观表示-->费因曼图—> 非线性极化率的计算（参考文献对照）
以上 6-8个学时
耦合波方程和相位匹配条件；
麦克斯韦方程组出发-->引入非线性极化项—>引入慢变振幅近似（慢/缓变振幅近似的涵义）-->以三波耦合为例（只考虑二阶非线性效应），得到三波耦合的方程组，以此图象理解非线性极化导致能量在这三波之间的流向和转化-->由三波耦合方程组得出直观的相位失配因子，理解相位失配因子为零(相位匹配)和不为零（相位失配）情况下的三波耦合波图象—>理解相位匹配的意义
以上（3-4个学时）
相位匹配技术；
双折射相位匹配(BPM)
基本的知识点：
电磁波在各向异性介质中的传播-->光在晶体中传播的菲涅尔方程—>传播方程的形象化描述--折射率椭球-->光线在晶体中传播的偏振特性（利用折射率椭球的形象化表示）
匹配原理
以倍频过程为例，推导相位匹配条件 n(ω)=n(2ω)-->图示解说，对于单轴晶体，ne（θ）随着光线波矢与光轴夹角θ的变化，取值可以在no-ne之间变化-->可能存在θ,使得no（2ω）= ne（ω）（正单轴晶体I类位相匹配），或者ne（2ω）= no（ω）(负单轴晶体I类位相匹配)--> II类位相匹配—> 不同匹配角，有效非线性系数的计算—>走离角，临界/非临界相位匹配，温度匹配
准位相匹配（QPM）
以三波耦合的图象为基础，说明耦合波方程中能量流向的决定因素—>存在位相失配时，能量流向随传播距离发生的周期性变化，通过非线性系数的周期性调制，可以保持能量流动方向的持续性(准位相匹配的原理)-->准位相匹配的提出和实现(传统的生长调制和90年代出现的室温极化)-->室温极化方法的产生、原理、发展，周期极化的铌酸锂、钽酸锂（PPLN ,PPLT）—> 以三波混频为例，演示PPLN/PPLT实现准位相匹配度数学处理，分析有效非线性系数，角度调谐（带宽）、温度调谐（带宽）、波长调谐（带宽） -->准位相匹配研究的新发展
双折射位相匹配和准位相匹配的优/缺点和应用场合
（12-16学时）
第三部分 非线性光学理论范式下对各种非线性光学现象的分析、应用
倍频、和频、差频等波长转换及其级联过程；相位匹配条件，不同的匹配方法，选择的非线性材料，能够达到的转换效率，不同的应用范围-->固体激光器的波长变换，（与波导/光纤结合）光通信中的波长转换器（多通道波长转换），全光开关，材料结构/相变检测（各向异性介质偶数阶非线性系数非零），短脉冲波形、脉宽的测量（自相关仪）、级联非线性镜锁模
参量放大（OPA）和参量振荡（OPO）; 参量过程的三波混频基本模型，OPA和OPO的区别，OPO谐振腔和激光谐振腔的区别，单共振和双共振，共线和非共线，阈值、调谐范围-->应用 获得一定范围连续的单色光源，光谱测量，环境、微量元素监测、医疗成像、目标探测、光电对抗等
电光效应(静电场/频率为零的光场与入射光的相互作用特例)；静电场与光场相互作用的图像及其非线性极化率的宏观表述形式—>由此导致的折射率表达式与静电场的相互关系—>一次电光效应/普克尔效应，二次电光效应/克尔效应-->应用 电光开关，电光调制
（克尔效应-->）光克尔效应； 光克尔效应的三阶非线性图像/三阶非线性系数表示，自聚焦/自散焦，自相位调制，非稳态光孤子，克尔效应锁模，可饱和吸收锁模
四波混频； 相位共轭波的特性和作用（典型 用于空间光通信的抖动消除），产生相位共轭波的方法(四波混频/简并四波混频)
以上 （6-8学时）
第四部分 相关专题文献的阅读、讨论和讲评
这部分内容根据当年具体情况寻找合适的阅读材料，选择内容与上述提纲范围内的主要内容相关
专题 1 非线性极化率的计算；理解非线性极化率的微观表示与功能基团结构的关系，了解非线性极化率的计算方法和过程
专题 2 3-5μm中红外PPLN OPO；实现3-5μm中红外OPO的技术路线，行波腔固体激光器的设计、腔内OPO，调谐分析等，加强对OPO的理解和实例认识
专题 3 应用级联非线性的全光开关；理解级联非线性的耦合波图像，实现全光开关的方法，
专题 4 z扫描方法测量3阶非线性系数；
专题5 非线性镜锁模方法；
