1.3 非线性光学的应用

1.3.1 非线性光学是光子学的基础

图1.3.1给出了光子学与电子学发展过程的对比，发现两者有惊人的相似性[1]。物理学的两个孪生的分支学科——电学和光学几乎都是在18世纪诞生。电学的应用，产生了电工学；光学的应用，产生了工程光学。从1906年发明电子管开始形成电子学。当时的电子管是真空电子管，因此称做“真空管电子学”，40年后（1948年）发明了半导体晶体管，而产生了“固体电子学”。自从1960年微米数量级的半导体集成电路的发明，导致“微电子学”与“微电子技术”的产生。而“现代光学”是以激光为光源的光学，它是从20世纪60年代初激光器发明后开始形成。气体、固体、染料激光器的广泛应用形成了“激光技术”，10年以后，室温运转异质结半导体激光器、低损耗光纤和集成光学技术的诞生，使现代光学发展进入“光子学”阶段。光子学是微米、纳米尺度的现代光学，它是研究光子的产生、传播、控制、探测显示、存储以及光子与物质相互作用的科学。光子学的发展分为两个阶段：微米光子学阶段和纳米光子学阶段，微米光子学阶段的技术主要是“以电控光”的光电子技术；纳米光子学阶段的技术则是“以光控光”的纳米光子技术[1]。

人们不禁要问，电子学和光子学下一步的发展趋势将是什么？可以认为微电子学将发展为纳米电子学；而微米光子学将发展为纳米光子学。两者在21世纪将并驾齐驱地发展。而且有可能在纳米尺度下实现光子集成，甚至有可能实现纳米电子器件与纳米光子器件的共集成。据报道，纳米硅已经能够实现电致发光和光致发光，甚至构成激光器。这就是说，在纳米条件下，采用硅材料为衬底的集成技术，有希望实现电子技术和光子技术的统一，从而使纳米信息技术得到高度发展。纳米信息技术将带动其他的纳米技术，如纳米材料、纳米加工、纳米机械、纳米能源、纳米生物医学等，这样，人类将进入一个纳米科技的新时代。

在激光光源问题解决之后，如何实现“以光控光”是十分重要的问题，“以光控光”包括以光学方法实现对光的频率、相位、振幅、偏振和群速度的控制。这就是非线性光学问题。因为光子与电子不同，电子带负电，相互间有强电磁作用，因此易于通过晶体管实现以弱电控制强电的目的；而光子不带电，无法直接实现光子间的相互控制，只能通过光与非线性介质的相互作用改变介质的参数来间接地实现“以光控光”。基于非线性光学原理的全光开关就是以光控光的光子器件。

激光发明之后半个世纪以来，人们投以大量的资金和人力来研究全光开关，但是实用的全光开关至今没有研究出来。实用的全光开关要求具有比信号功率更低的、达到毫瓦以下的低开关功率；以及突破电子开关速度极限的、达到纳秒以下的高开关速度。这样的全光开关才能满足全光信息技术（全光通信、全光计算、全光传感）的需要。以往的研究经验表明，实用化的全光开关只有在纳米光子学技术和超快激光技术的基础上才有可能研究出来。总之，研究光与物质相互作用规律的非线性光学是光子学的重要基础。

1.3.2 非线性光学的广泛应用

非线性光学有哪些具体的应用？表1.4简略描述了非线性光学的主要应用。

这些应用技术包括用非线性光学方法实现对激光的频率、强度（振幅）、相位、波形、方向、偏振与群速度等参量进行控制；并获得各种物质的成分、结构、特性等信息。

在科学研究方面，非线性光学方法对于研究表面、界面、团簇、量子限制、表面等离子激元等物质结构，晶体、光子晶体、半导体、液晶、有机聚合物、生物材料的非线性机制，以及在研究手性物质、左旋物质、负折射率物质和极端物理现象等领域都有着重要的贡献。