非線性光學(xué)考試知識(shí)答案

1、1 說(shuō)出電極化率的 4 種對(duì)易對(duì)稱性，并說(shuō)明滿足的條件？本征對(duì)易對(duì)稱性（不需要任何條件）、完全對(duì)易對(duì)稱性（介質(zhì)無(wú)耗）、時(shí)間反演對(duì)稱性（介質(zhì)無(wú)耗）、空間對(duì)稱性（1）是對(duì)稱張量（介質(zhì)無(wú)耗）；2 說(shuō)出下式的物理意義：表示由頻率為m，場(chǎng)振動(dòng)方向?yàn)閤方向的場(chǎng)分量Ex(m)，頻率為n 、場(chǎng)振動(dòng)方向?yàn)閥方向的場(chǎng)分量Ey(n)以及頻率為l，場(chǎng)振動(dòng)方向?yàn)閦方向的場(chǎng)分量Ez(1 )三者間的非線性相互作用所引起的在x方向上的三階非線性電極化強(qiáng)度的一個(gè)分量。3 對(duì)于二次諧波和三次諧波，相干長(zhǎng)度的物理意義？參量過(guò)程中的位相匹配有和物理意義？舉例說(shuō)明兩種實(shí)現(xiàn)位相匹配的方法？1）Lc物理意義: 三次諧波強(qiáng)度第一次達(dá)到其最大

2、值的路程長(zhǎng)度，典型值為1100mm.如DK=0，Lc為無(wú)窮大。 2) 位相匹配的物理意義：在位相匹配條件下，二次諧波和三次諧波等非線性效應(yīng)產(chǎn)生過(guò)程效率會(huì)大到最高，相應(yīng)的位相不匹配條件下，產(chǎn)生效率會(huì)大大降低。3）利用晶體的雙折射特性補(bǔ)償晶體的色散效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)相位匹配。 在氣體工作物質(zhì)中，利用緩沖氣體提供必要的色散，實(shí)現(xiàn)相 位匹配。4 為什么參量振蕩器能夠產(chǎn)生連續(xù)輸出頻率，而激光器只能輸出單個(gè)頻率？ 能量守恒 3=1+2 動(dòng)量守恒 n33=n11+n22 改變溫度、角度(對(duì)非常光)、電場(chǎng)、壓力等可改變晶體的折射率，從而改變參量振蕩器的輸出頻率w1，w2。因此參量振蕩器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。 而激光振蕩器是

3、利用原子躍遷的機(jī)理工作的，不能連續(xù)調(diào)諧。這是參量振蕩器和激光振蕩器的區(qū)別5 在拉曼散射中，為何觀察不到高階斯托克斯散射？在受激拉曼散射中，高階斯托克斯散射 光卻較強(qiáng)？高階斯托克斯光的散射角有什么變化規(guī)律？由wp，ws非線性作用產(chǎn)生。如一級(jí)反斯托克斯散射光w¢s=wp+wv= wp+ wp- ws 由wp, wp, ws通過(guò)三階非線性產(chǎn)生。代入上式，一級(jí)反斯托克斯散射光只有滿足相位匹配條件：時(shí)才能有效地產(chǎn)生。 高階斯托克斯光散射角變化規(guī)律：斯托克斯散射光都是沿著與入射光方向成角的圓錐角射出，其波矢均滿足一定的矢量關(guān)系，所以斯托克斯光都將相對(duì)于kp 以一定的角度發(fā)射。6 解釋強(qiáng)脈沖通過(guò)介

4、質(zhì)時(shí)的自變陡現(xiàn)象？光脈沖的自變陡現(xiàn)象：峰值處n 上升，光速下降 ，而在后沿光強(qiáng)下降 ，n 下降 ，光速逐漸 變大 ，以至脈沖后面部分的光“趕上” 前面部分的光，造成光脈沖后沿變陡。7 你知道哪幾種散射效應(yīng)，都有什么特點(diǎn)？拉曼散射、布里淵散射、受激拉曼散射、受激布里淵散射，瑞利散射五種散射效應(yīng)ü 受激拉曼散射：強(qiáng)激光照射某些介質(zhì)時(shí)，在一定的條件下，散射光具有受激的性質(zhì)。 特點(diǎn)：相干輻射；強(qiáng)。 (a)明顯的閾值性：即只有當(dāng)入射激光束的光強(qiáng)或功率密度超過(guò)一定激勵(lì)閾值后，才能產(chǎn)生受激喇曼散射效應(yīng)。 (b)明顯的定向性：即當(dāng)入射激光超過(guò)一定的閥值后，散射光束的空間發(fā)散角明顯變小，可達(dá)到與入射激

5、光相近的發(fā)散角。 (c)高單色性：當(dāng)超過(guò)一定的激勵(lì)閾值后，散射光譜的寬度明顯變窄，可達(dá)到與入射激光單色性相當(dāng)或更窄的程度。 (d)高強(qiáng)度性：受激喇曼散射光強(qiáng)或功率可以達(dá)到與入射激光束相比擬的程度(6070%). (e)隨時(shí)間的變化特性：與入射激光隨時(shí)問(wèn)變化的特性相類似，受激散射光脈沖時(shí)間可遠(yuǎn)短于入射激光脈沖的持續(xù)時(shí)間 。 ü 受激布里淵散射 方向：聲波和散射光波沿著特定方向-聲波與強(qiáng)光波場(chǎng)w的方向相同，散射光w1與強(qiáng)光波場(chǎng)wp的方向相反(此時(shí)，增益最大)。 SBS有閾值性(與受激拉曼散射相同)。 受激布里淵散射也是非參量過(guò)程。SBS同樣可通過(guò)耦合波理論獲得, 仿照(6.7-1)SRS

6、的寫法, 有：ü 瑞利散射瑞利散射是指散射粒子線度比波長(zhǎng)小得多的粒子對(duì)光波的散射，其特點(diǎn)：1、散射光強(qiáng)與入射波長(zhǎng)的四次方成反比；2、散射光強(qiáng)隨觀察方向而變，在不同的觀察方向上，散射光強(qiáng)不同；3、散射光具有偏振性，其偏振程度決定于散射光與偶極矩方向的夾角。瑞利散射規(guī)律適用于微粒線度在十分之一波長(zhǎng)以下的極小微粒。8 相位共軛波的定義？三波混頻，前向四波混頻和后向四波混頻哪一個(gè)更重要？為什么？四 波混頻有哪些重要的應(yīng)用？設(shè)光波場(chǎng)的復(fù)振幅 Es(r)為相位共軛波復(fù)振幅Ep(r)為 結(jié)論：相位共軛波并不是該光波場(chǎng)總表示式的復(fù)振幅，而只是其復(fù)振幅的復(fù)共軛，完全不涉及光場(chǎng)表示式中的時(shí)間因子。注:

7、(1) 即使 ，仍表明EP (r,t)，ES (r,t)是共軛關(guān)系。 (2) j(r)由介質(zhì)的不均勻性決定，即與折射率的變化Dn有關(guān)；A(r)主要與光吸收和光散射有關(guān)。背向四波混頻更重要；將DFWM相位共軛與TWM相位共軛比較: 在DFWM中，若泵浦光E1, E2彼此反向傳播，散射光E4就必然地沿入射信號(hào)光E3的反向傳播，也就是說(shuō)對(duì)于任意方向的入射光，DFWM過(guò)程皆可自動(dòng)地滿足相位匹配條件，所產(chǎn)生的散射光總是入射信號(hào)光的背向相位共軛光。而TWM相位共軛中，對(duì)相位匹配條件有苛刻的要求。而前向四波混頻只適用于薄樣品，并且只有波矢滿足K4=2K1,2- K3的散射光才能產(chǎn)生（即需滿足相位匹配）。故背

8、向四波混頻更重要。應(yīng)用：相位共軛諧振腔、自適應(yīng)光學(xué)、圖像傳遞、無(wú)透鏡成像、實(shí)時(shí)空間相關(guān)和卷積9 你認(rèn)為二階非線性效應(yīng)中的哪一個(gè)效應(yīng)最為重要？三階非線性效應(yīng)中哪一個(gè)最為重要？ 實(shí)際應(yīng)用中，作為光開關(guān)人們一般利用 Pockels 效應(yīng)還是 optical kerr 效應(yīng)？二階非線性效應(yīng)中，線性電光效應(yīng)最重要。三階非線性效應(yīng)中，克爾效應(yīng)最重要。作為光開關(guān)，（書上174頁(yè)，第5章三階非線性光學(xué)效應(yīng)5.1節(jié)克爾效應(yīng)與光克爾效應(yīng)）介紹了光克爾開關(guān)，可以寫人們一般利用光克爾開關(guān)【答疑結(jié)果：實(shí)際應(yīng)用中多用前者，因?yàn)楹笳呤侨A非線性效應(yīng)，而且要求廣場(chǎng)能量必須非常高，這樣就非常容易打壞器件材料！而前者是利用電場(chǎng)，

9、技術(shù)成熟而且不會(huì)對(duì)器件材料造成損傷！】光克爾效應(yīng)可用于構(gòu)造一種超快光開關(guān)，（其原理如圖見(jiàn)書）在政教片真氣之間放置光克爾介質(zhì)（樣品），不加強(qiáng)激光脈沖（開關(guān)光束）時(shí)，任何光場(chǎng)都無(wú)法通過(guò)檢偏器，開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)；一旦加上開關(guān)激光脈沖，由于感應(yīng)雙折射，探測(cè)光通過(guò)長(zhǎng)度為l的光克爾介質(zhì)時(shí)，在與開關(guān)光偏振方向平行和垂直方向的分量間產(chǎn)生相位差:使得入射線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，該光可以通過(guò)檢偏器輸出，開關(guān)處于開啟狀態(tài)。（可以把后面的性質(zhì)、應(yīng)用也寫上）以下是網(wǎng)上資料簡(jiǎn)述普克爾效應(yīng)開關(guān)：在鈮酸鋰中制造的高速馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器，作為已經(jīng)有商品供給的普克爾效應(yīng)開關(guān)，是通過(guò)修整盡緣緩沖層的電性能，或通過(guò)用沒(méi)有直流偏置來(lái)調(diào)

10、整器件運(yùn)行，已經(jīng)給器件提出了電壓穩(wěn)定性題目?？藸栃?yīng)開關(guān)：克爾效應(yīng)，亦即由光強(qiáng)度通過(guò)材料中的三階光非線性度直接控制折射率，逐一提供光信號(hào)的直接控制。它支撐著在目前還是研究課題的甚高速光邏輯器件的技術(shù)發(fā)展?，F(xiàn)在能很輕易產(chǎn)生的甚短(fs)、甚強(qiáng)的多種光信號(hào)，可直接在光纖或半導(dǎo)體波導(dǎo)中相互影響，已經(jīng)達(dá)到了數(shù)百Gbs的光數(shù)字式運(yùn)行?？墒牵捎趶?qiáng)度拖累，克爾效應(yīng)開關(guān)在廣泛使用的帶寬與強(qiáng)度的路由光信號(hào)方面并沒(méi)有作用。10 飛秒激光器入射在玻璃中，我們能觀察到什么現(xiàn)象？說(shuō)明理由？ 光線的自聚焦效應(yīng), 一束強(qiáng)激光本身就有的光克爾效應(yīng)。在中心處的折射率為最大或最小，由三階非線性極化率是正或負(fù)所決定。正透鏡效應(yīng)-

11、使光束本身愈來(lái)愈向高強(qiáng)度區(qū)域聚集，這叫做自聚焦效應(yīng)。但截面較小的光束還要發(fā)生衍射效應(yīng)，只有自聚焦效應(yīng)強(qiáng)于衍射效應(yīng)時(shí)，光才能表現(xiàn)出自聚焦現(xiàn)象。自聚焦效應(yīng)正比于 ，衍射效應(yīng) (與光束焦點(diǎn)處的束腰半徑平方成反比)。因此，由于自聚焦作用，自聚焦效應(yīng)和衍射效應(yīng)同時(shí)增強(qiáng)。如果后者增強(qiáng)得較快，則在某一點(diǎn)處，光束將出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。但大多數(shù)情況下，一旦自聚焦作用開始，自聚焦效應(yīng)總是強(qiáng)于衍射效應(yīng)，自聚焦作用一直進(jìn)行著(焦點(diǎn)位置不變)。當(dāng)自聚焦效應(yīng)和衍射效應(yīng)平衡時(shí)，光束在介質(zhì)中傳播較長(zhǎng)的距離，光束直徑不變-自陷：光絲吸收和散射將引起激光強(qiáng)度減弱，破壞自聚焦和衍射之間的平衡，引起光束衍射。以下非線性光學(xué)作用使自聚焦作用

12、中止：受激拉曼散射; 受激布利淵散射; 雙光子吸收; 光損傷。11 光折變效應(yīng)在引起折射率變化上有什么特點(diǎn)？1) 光折變效應(yīng)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，光強(qiáng)僅影響光折變過(guò)程的速度。通過(guò)均勻光照或加熱(使 電荷重新恢復(fù)均勻分布，折射率變化消失)可以消除光折變，使晶體恢復(fù)初態(tài)。 2) 光折變響應(yīng)是非局域的，通過(guò)光折變效應(yīng)建立的折射率相位光柵在時(shí)間上滯后；在空間上非局域響應(yīng)，即折射率變化最大處并非光照的最強(qiáng)處。12 偏振光沿著光軸方向通過(guò)石英晶體是可能發(fā)生的現(xiàn)象？說(shuō)明理由？當(dāng)一束線偏振光沿光軸方向通過(guò)石英晶體可能會(huì)發(fā)生旋光效應(yīng)，其偏振面旋轉(zhuǎn)的角度與材料的厚度成正比。非涅耳解釋：認(rèn)為入射的平面偏振光是旋轉(zhuǎn)方向相反的兩

13、個(gè)圓偏振光之和，并假定圓偏振光通過(guò)上述那些介質(zhì)時(shí)是不變的，但右旋圓偏振光與左旋圓偏振光在介質(zhì)中傳播速度稍有不同，這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光在通過(guò)介質(zhì)后，一個(gè)光波的相位相對(duì)于另一個(gè)便有了相移。因此，當(dāng)兩個(gè)圓偏振光在介質(zhì)出射面處重新組合時(shí)，偏振面便產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)。13 光在非線性介質(zhì)中傳播時(shí)，相應(yīng)的電位移矢量和電場(chǎng)矢量方向能否相同？ 正常情況下不能，特殊情況下能。理由（）1 為什么參量振蕩器能過(guò)改變輸出頻率？在參量振蕩器中是否有更高的泵浦光的頻率？為什么？如果有，較高頻率的輻射和較低頻率的輻射哪一個(gè)更強(qiáng)？為什么？【答疑結(jié)果】（1） 參量振蕩器能改變輸出頻率大家都知道原因；（2） 能產(chǎn)生高于泵浦光頻率

14、的光，（3） 較低頻率的更強(qiáng)；因?yàn)樵谥C振腔內(nèi)的光在滿足倍頻或者和頻的條件時(shí)將會(huì)有可能產(chǎn)生更高頻率的光，但是較高頻率的光產(chǎn)生條件是:在滿足參量振蕩的前提下還要滿足和頻或者倍頻等額外條件，因此要求更多，實(shí)現(xiàn)更不容易！2 在拉曼散射中，為何觀察不到高階斯托克斯散射？在受激拉曼散射中，高階斯托克斯散射 光卻較強(qiáng)？高階斯托克斯光的散射角有什么變化規(guī)律？3 為什么強(qiáng)光脈沖通過(guò)非線性晶體時(shí)脈沖寬度要增加？群速色散，.t1。通過(guò)非線性晶體后，減小，t增加，脈沖寬度增加。4 參量過(guò)程中位相匹配有何意義？相干長(zhǎng)度的物理意義？舉例說(shuō)明實(shí)現(xiàn)兩種位相匹配的方 法？5 在位相共軛波的定義？畫圖說(shuō)明共軛反射鏡消除波前畸變的

15、過(guò)程？三波混頻，前向四波混 頻和后向四波混頻罵一個(gè)更重要？為什么？四波混頻有哪些重要的應(yīng)用？6 你認(rèn)為二階非線性效應(yīng)中的哪一個(gè)效應(yīng)最為重要？三階非線性效應(yīng)中哪一個(gè)最為重要？ 實(shí)際應(yīng)用中，作為光開關(guān)人們一般利用 Pockels 效應(yīng)還是 optical kerr 效應(yīng)？7 飛秒激光器入射在玻璃中，我們能觀察到什么現(xiàn)象？說(shuō)明理由？8 光折變效應(yīng)在引起折射率變化上有什么特點(diǎn)？9 飽和吸收和反飽和吸收與光強(qiáng)是否有關(guān)？?jī)煞N吸收產(chǎn)生的條件？吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減小,稱為飽和吸收(SA);吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而增加,稱為反飽和吸收(RSA) 。反飽和吸收產(chǎn)生的條件只與吸收截面有關(guān),而反飽和吸收向飽和吸收轉(zhuǎn)

16、化,不只與吸收截面有關(guān),還受入射光強(qiáng)影響。即使吸收截面滿足轉(zhuǎn)化條件,入射光強(qiáng)沒(méi)有達(dá)到閾值光強(qiáng),產(chǎn)生反飽和吸收現(xiàn)象,但不發(fā)生反飽和吸收向飽和吸收轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化的閾值光強(qiáng)由材料的吸收截面、能級(jí)壽命以及飽和光強(qiáng)決定。10 當(dāng)一束線偏振光沿著光軸方向通過(guò)石英晶體是可能發(fā)生的現(xiàn)象？說(shuō)明理由？11 說(shuō)出電極化率的 4 種對(duì)易對(duì)稱性，并說(shuō)明滿足的條件？二1 受激布里淵散射為什么產(chǎn)生的事背向散射光？根據(jù)位相匹配條件畫圖分析受激布里淵散 射能否產(chǎn)生反斯托克斯散射光？該散射又和應(yīng)用？假設(shè)受激布里淵散射的聲子壽命是20ns，那么他在應(yīng)用于光纖溫度傳感技術(shù)中，探測(cè)器能分辨的由溫度引起變化的最小距離 是多少？1) 聲波和散

17、射光波沿著特定方向聲波與強(qiáng)光波場(chǎng)w的方向相同，散射光w1，與強(qiáng)光波場(chǎng)wp的方向相反（此時(shí)增益最大）2) SBS可產(chǎn)生w1=w-ws散射(相當(dāng)于Stokes散射)，能否像SRS那樣，SBS產(chǎn)生w2=w+wsound的散射光波(相當(dāng)于anti-stokes散射)？如果認(rèn)為在介質(zhì)中能夠產(chǎn)生w2，那么w2應(yīng)由w，w1通過(guò)三階非線性作用產(chǎn)生，即 w2=w+ws= w+w-w1。相位匹配條件要求：2Kw- Kw1= Kw2。實(shí)際上， ws 很小，有： w w1 w2，即，這三個(gè)光波滿足 Kw Kw1 Kw2。則：(1)如果w1與w反向的話(增益最大時(shí))：2Kw- Kw1= Kw2難以滿足，SBS無(wú)法產(chǎn)生anti-stokes散射光*，如圖6-1(a)所示。(2)如果w1與w不是反向的話(增益較小時(shí))，兩者只能同向，才能滿足：2Kw- Kw1= Kw2，SBS產(chǎn)生較弱的anti-stokes散射光*，如圖6-15(b)所示。3) 應(yīng)用： (1) 光纖傳感:當(dāng)溫度或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，布里淵信號(hào)將改變。 (2) 用于相位共軛。 4) L（m