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课程名称：非线性光学 课程概述：本课程介绍了非线性光学的基本概念，涵盖激光与物质之间的相互作用，特别是利用强激光（如飞秒激光）进行研究的领域。 课程大纲： 1. **从线性光学到非线性光学**： - 介绍材料线性响应的微观起源，吸收和折射率的物理基础，说明高激励条件下线性响应的局限性，并学习使用Scilab进行数值计算。 2. **傅里叶变换**： - 学习傅里叶级数和傅里叶变换，通过音频信号的傅里叶分析探讨时间宽度和频谱宽度的关系，介绍群延迟和频率漂移的概念。 3. **线性传播（时域）**： - 从麦克斯韦方程出发建立线性传播方程，详细讨论平面波的特性，研究由于折射率色散导致的短脉冲传播。 4. **线性传播（空间域）**： - 聚焦于单色光束，研究在近轴近似下的空间传播及其光束轮廓变化，探讨光束衍射与短脉冲色散的类比。 5. **非线性传播**： - 首先讨论单色波叠加的非线性情况，建立脉冲的非线性传播方程，并探索材料对非线性光学响应的影响。 6. **频率双倍**： - 探讨二阶非线性光学中的频率双倍现象，介绍相位匹配和使用双折射材料实现相位匹配的概念。 7. **三波混频**： - 讨论三波混频的物理起源和其在参数放大的应用，简要介绍其在量子光学中的用途。 8. **凯尔效应**： - 学习第三阶非线性光学中的凯尔效应，其影响包括自聚焦和光谱连续生成。 9. **其他第三阶非线性效应**： - 探讨吸收饱和、双光子吸收、双光子激发荧光和三次谐波生成，展示相关的生物物体非线性显微镜应用的实验结果。 10. **飞秒激光**： - 介绍飞秒激光的工作原理，探讨孤子效应及其在频率梳的计量应用。 11. **期末考试**： - 课程的总结与考核。
Name:De l'optique lineaire à l'optique non-lineaire
Description:Après une brève description de l’origine microscopique de la réponse linéaire d’un matériau, ce chapitre introduira l’origine physique de l’absorption et de l’indice de réfraction. On montrera ensuite comment un régime d’excitation plus élevé impose de sortir du cadre d’une réponse strictement linéaire. Enfin, une introduction au langage Scilab permettra de disposer d’un outil de calcul numérique qui sera utilisé dans toute la suite du cours.
Name:Transformation de Fourier
Description:On introduira successivement les séries et les transformées de Fourier. L’analyse de Fourier d’un signal sonore nous permettra d’illustrer un certain nombre de propriétés utiles comme par exemple la relation entre largeur temporelle et largeur spectrale, qui sera approfondie en TD. On introduira également des notions importantes comme le retard de groupe et la dérive de fréquence. Enfin, la transformée de Fourier discrète permettra d’illustrer ces notions de manière numérique.
Name:Propagation en régime linéaire (domaine temporel)
Description:On établira l’équation de propagation en régime linéaire à partir des équations de Maxwell, puis on discutera plus en détail le cas particulier d’une onde plane. On étudiera ainsi la propagation d’une impulsion brève, dominée par la dispersion chromatique de l’indice de réfraction. Le rôle central joué par la phase spectrale sera illustrée en TD et par des expériences d’interférométrie.
Name:Propagation en régime linéaire (domaine spatial)
Description:Ce chapitre est consacré au cas particulier d’un faisceau monochromatique, ce qui permet d’étudier en détail l’évolution du profil spatial au cours de la propagation dans le cadre de l’approximation paraxiale. On développera notamment l’analogie spatio-temporelle, qui permettra de faire le parallèle entre la diffraction d’un faisceau lumineux et la dispersion d’une impulsion brève.
Name:Propagation en régime non-linéaire
Description:On aborde ici le régime non-linéaire, qui sera traité tout d’abord dans le cas d’une superposition d’ondes monochromatiques. On obtient alors un système d’équations différentielles non-linéaires couplées. Puis, dans le cas d’une impulsion brève, on établira l’équation de propagation non-linéaire dans le cadre de l’approximation de l’onde lentement variable. On discutera enfin de l’influence de la symétrie du matériau sur la nature de sa réponse optique non-linéaire.
Name:Doublage de fréquence
Description:L’optique non-linéaire du deuxième ordre donne lieu à des processus comme l’addition et la différence de fréquences. Ce chapitre porte sur le cas particulier du doublage de fréquence, ou génération de seconde harmonique. On introduira notamment la notion d’accord de phase, qui peut être obtenu par exemple à l’aide d’un matériau biréfringent. La méthode alternative dite du quasi accord de phase sera développée en TD.
Name:Mélange à trois ondes
Description:Toujours dans le cadre de l’optique non-linéaire du deuxième ordre, le mélange à trois ondes permet de comprendre l’origine physique du phénomène d’amplification paramétrique, qui permet notamment de concevoir des sources lumineuses accordables sur une très grande gamme spectrale. Les applications en optique quantique seront également brièvement évoquées. Le TD portera sur le doublage de fréquence en régime fort.
Name:Effet Kerr optique
Description:L’optique non-linéaire du troisième ordre donne lieu à une très grande variété de phénomènes physiques, dont l’effet Kerr optique constitue un exemple emblématique résultant de la variation de l’indice de réfraction avec l’intensité lumineuse. On étudiera ici les conséquences dans le domaine spatial (autofocalisation) et spectro-temporel (génération de continuum spectral). Le TD portera sur l’effet Kerr optique effectif résultant d’une cascade de deux effets du second ordre.
Name:Autres effets non-linéaires du troisième ordre
Description:Ce chapitre porte sur la saturation d’absorption, l’absorption à deux photons, la fluorescence par excitation à deux photons et la génération de troisième harmonique. Les applications de certains de ces phénomènes à la microscopie non-linéaire d’objets biologiques seront illustrées par des résultats expérimentaux obtenus au Laboratoire d’Optique et Biosciences.
Name:Lasers femtosecondes
Description:Ce dernier chapitre introduit le phénomène à l’origine du fonctionnement stationnaire d’un laser femtoseconde, qui est un effet de type soliton permettant une compensation parfaite entre la dispersion de vitesse de groupe et l’effet Kerr optique. Les applications en métrologie à l’aide de peignes de fréquences seront également évoquées, de même que l’amplification à dérive de fréquence.
Name:Examen final
Description:The description goes here
Introduction à l'optique non-linéaire, qui correspond au régime d'interaction laser-matière que l'on peut explorer à l'aide de lasers intenses, comme par exemple les lasers femtosecondes.
