Interactions between Light Waves in a Nonlinear Dielectric

物理 非线性系统 平面波 量子力学 电磁辐射 极化(电化学) 欧米茄 量子电动力学 凝聚态物理 物理化学 化学
作者
John A. Armstrong,N. Bloembergen,J. Ducuing,P. S. Pershan
出处
期刊:Physical Review [American Institute of Physics]
卷期号:127 (6): 1918-1939 被引量:4137
标识
DOI:10.1103/physrev.127.1918
摘要

The induced nonlinear electric dipole and higher moments in an atomic system, irradiated simultaneously by two or three light waves, are calculated by quantum-mechanical perturbation theory. Terms quadratic and cubic in the field amplitudes are included. An important permutation symmetry relation for the nonlinear polarizability is derived and its frequency dependence is discussed. The nonlinear microscopic properties are related to an effective macroscopic nonlinear polarization, which may be incorporated into Maxwell's equations for an infinite, homogeneous, anisotropic, nonlinear, dielectric medium. Energy and power relationships are derived for the nonlinear dielectric which correspond to the Manley-Rowe relations in the theory of parametric amplifiers. Explicit solutions are obtained for the coupled amplitude equations, which describe the interaction between a plane light wave and its second harmonic or the interaction between three plane electromagnetic waves, which satisfy the energy relationship ${\ensuremath{\omega}}_{3}={\ensuremath{\omega}}_{1}+{\ensuremath{\omega}}_{2}$, and the approximate momentum relationship ${\mathrm{k}}_{3}={\mathrm{k}}_{1}+{\mathrm{k}}_{2}+\ensuremath{\Delta}\mathrm{k}$. Third-harmonic generation and interaction between more waves is mentioned. Applications of the theory to the dc and microwave Kerr effect, light modulation, harmonic generation, and parametric conversion are discussed.
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