非线性折射率系数

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非线性折射率系数(nonlinear index)

定义:用于定量描述介质的克尔非线性大小的参数

当高强度的光通过介质传播时,会导致非线性效应。其中最简单的是克尔效应,其可以被描述为折射率光强I的一个成比例的变化(通常是增加)

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其中n2为非线性折射率系数。其常用单位为m2/W或cm2/W。 通常情况下,非线性折射率系数是利用线性偏振光测量而得的。对于非双折射晶体而言,圆偏振下的非线性折射率系数通常会小1/3。

当光强非常高时,上述的非线性折射率系数的方程可能需要一个较高阶的校正。例如,需要一个一个与折射率平方成正比的箱,而其系数为负,从而使得克尔效应发生饱和。

除了克尔效应(纯粹的电子非线性),电致能也会显著的影响非线性指数[4,5]的值。这种情况下,光束的电场会产生密度变化(声波),这会通过光弹性效应影响的折射率。但是这一机制会涉及到一个显著的时间延迟,因此仅适用于变化相对缓慢的功率调制,不能用于超短脉冲。在光纤中这种低速(MHz)的电致伸缩的贡献是通常的克尔效应的10-20%。

对于透明的晶体和玻璃,n2为通常为10-16 cm2/W 到10-14 cm2/W 。例如,石英光纤在波长约为1.5um处其非线性折射率系数较低,为2.7•10-16 cm2/W ,而一些硫化玻璃的非线性折射率系数是其的几百倍甚至更高。半导体材料也具有很高的非线性折射率系数。研究表明,非线性折射率系数正比于带隙能量的四次方的倒数,此外还取决于测试光的波长[2]。非线性折射率系数也可以是负的(自散焦非线性效应),特别是当光子能量高于带隙的能量的70%时。

具有高非线性折射率系数的材料通常具有小的带隙能量,因此也往往表现出较强的双光子吸收(TPA)。对于一些应用,例如电信系统的信道转换中,这是不利的。

样品的非线性折射率系数通常利用z扫描技术测量,它是基于克尔透镜自聚焦效应的。

光纤的非线性可以通过测量自相位调制产生的频谱展宽来量化。然而,需要注意的是在非保偏光纤中光的偏振状态会发生改变,而这可能会影响测量结果。另外,这种测量结果是光纤纤芯和包层的材料特性的一种平均。

参考文献

[1] M. Sheik-Bahae et al., “Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam”, IEEE J. Quantum Electron. 26 (4), 760 (1990)

[2] M. Sheik-Bahae et al., “Dispersion and band-gap scaling of the electronic Kerr effect in solids associated with two-photon absorption”, Phys. Rev. Lett. 65 (1), 96 (1990)

[3] K. S. Kim et al., “Measurement of the nonlinear index of silica-core and dispersion-shifted fibers”, Opt. Lett. 19 (4), 257 (1994)

[4] E. L. Buckland and R. W. Boyd, “Electrostrictive contribution to the intensity-dependent refractive index of optical fibers”, Opt. Lett. 21 (15), 1117 (1996)

[5] E. L. Buckland and R. W. Boyd, “Measurement of the frequency response of the electrostrictive nonlinearity in optical fibers”, Opt. Lett. 22 (10), 676 (1997)

[6] I. P. Nikolakakos et al., “Broadband characterization of the nonlinear optical properties of common reference materials”, IEEE Sel. Top. Quantum Electron. 10 (5), 1164 (2004)

[7] A. Major et al., “Dispersion of the nonlinear refractive index in sapphire”, Opt. Lett. 29 (6), 602 (2004)

[8] I. Dancus et al., “Single shot interferometric method for measuring the nonlinear refractive index”, Opt. Express 21 (25), 31303 (2013)



参阅:克尔效应自相位调制克尔透镜折射率B参数非线性Z扫描