非線性光學(xué)考試知識答案

1、1 說出電極化率的 4 種對易對稱性，并說明滿足的條件本征對易對稱性 (不需要任何條件) 、 完全對易對稱性 (介質(zhì)無耗) 、 時(shí)間反演對稱性 (介質(zhì)無耗)、空間對稱性x"是對稱張量(介質(zhì)無耗)；2 說出下式的物理意義：0 x(3x)yz( m, n, l)Ex( m)Ey(n)Ez( l)exp i( m n l )t表不由頻率為3m,場振動(dòng)方向?yàn)閤方向的場分量Ex( cm),頻率為 5、場振動(dòng)方向?yàn)閥方向的場分量Ey(以及頻率為31,場振動(dòng)方向?yàn)閦方向的場分量Ez( 3)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 對于二次諧波和三次諧波， 相

2、 干長度的物理意義參量過程中的位相匹配有和物理意義舉例說明兩種實(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)到其最大值的路程長度，典型值為 1100mm.如 K=0, Lc為無窮大。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 程效率會大到最高，相應(yīng)的位相不匹配條件下，產(chǎn)生效率會大大降低。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=nii +n22改變溫度、角度(對非常光)

3、、電場、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 1， 2。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P , s非線性作用產(chǎn)生。如一級反斯托克斯散射光S=p+v=p+ p-s由p, p, s通過三階非線性產(chǎn)生。P(3)( s',r)3 0 (3)( p, p s)Ma( p)a( p)a( s) E( p,r)E( p,r)E*( s,r)expi(2KpKs)

4、 r代入上式，一級反斯托克斯散射光只有滿足相位匹配條件： K = 2K K K '0ps1s1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于kp 以一定的角度發(fā)射。6解釋強(qiáng)脈沖通過介質(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)受激拉曼散射：強(qiáng)激光照射某些

5、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)到與入射激光相近的發(fā)散角。(c)高單色性:當(dāng)超過一定的激勵(lì)閾值后，散射光譜的寬度明顯變窄，可達(dá)到與入射激光(6070%).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(e)隨時(shí)間的變化特性：與入射激光隨時(shí)問變化的特性相類似，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 方向：聲波和散射光波沿著

6、特定方向受激布里淵散射-聲波與強(qiáng)光波場的方向相同，散射光1與強(qiáng)光波場p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)o受激布里淵散射也是非參量過程。SBS同樣可通過耦合波理論獲得 ,仿照SRS的寫法,有:dEi3i i ,SBS(1, p, p, 1dzcn1)Ep2Ei瑞利散射瑞利散射是指散射粒子線度比波長小得多的粒子對光波的散射，其特點(diǎn):8 相位共軛波的定義三波混頻， 有哪些重要的應(yīng)用1、散射光強(qiáng)與入射波長的四次方成反比；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

7、度在十分之一波長以下的極小微粒。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設(shè)光波場的復(fù)振幅Es(r)為相位共軻波復(fù)振幅Ep(r)為結(jié)論：相位共軛波并不是該光波場總表示式的復(fù)振幅，而只是其復(fù)振幅的復(fù)共軛，完全不s(r)(r)ei (r)*p(r) s(r)(r)ei(r)涉及光場表示式中的時(shí)間因子。注: (1) 即使 P(r) C S(r),仍表明EP (r,t), ES (r,t謔共軻關(guān)系。(2) (r)由介質(zhì)的不均勻性決定，即與折射率的變化n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相位共軻與TWM相位共軻比較：在DFWM中，若泵浦光 Ei, E2彼此

8、反向傳播， 散射光時(shí)就必然地沿入射信號光E3的反向傳播，也就是說對于任意方向的入射光，DFWM過程皆可自動(dòng)地滿足相位匹配條件，所產(chǎn)生的散射光總是入射信號光的背向相位共軛光。而 TWM 相位共軛中，對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

9、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，第 5 章三階非線性光學(xué)效應(yīng)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，技術(shù)成熟而且不會對器件材料造成損傷！ 】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)，任何光場都無法通過檢偏器，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，探測光通過長度為l的光

10、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：2 ,、，（n n ）l使得入射線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，該光可以通過檢偏器輸出，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)上資料簡述普克爾效應(yīng)開關(guān)：在鋸酸鋰中制造的高速馬赫 -曾德爾調(diào)制器，作為已經(jīng)有商品供給的普克爾效應(yīng)開關(guān)，是 通過修整盡緣緩沖層的電性能，或通過用沒有直流偏置來調(diào)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。現(xiàn)在能很輕易產(chǎn)生的甚短（fs）、

11、甚強(qiáng)的多種光信號，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Gb/s的光數(shù)字式運(yùn)行。 可是，由于強(qiáng)度拖累，克爾效應(yīng)開關(guān)在廣泛使用的帶寬 與強(qiáng)度的路由光信號方面并沒有作用。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)-使光束本身愈來愈向高強(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?！癊21 2自聚焦效應(yīng)正比于，衍射效應(yīng)r（與光束焦點(diǎn)處的束腰半徑平方成反比）。因此，由于自聚

12、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)無關(guān)， 光強(qiáng)僅影響光折變過程的速度。 通過均勻光照或加熱(使電荷重新恢復(fù)均勻分布，折射率變化消失

13、)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石英晶體是可能發(fā)生的現(xiàn)象說明理由當(dāng)一束線偏振光沿光軸方向通過石英晶體可能會發(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)方向相反的兩個(gè)圓偏振光之和， 并假定圓偏振光通過上述那些介質(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介質(zhì)后， 一個(gè)光波的相位相對于另一個(gè)便有了相移。因此， 當(dāng)兩個(gè)圓偏振

14、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，

15、 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)光脈沖通過非線性晶體時(shí)脈沖寬度要增加群速色散，A vtMo通過非線性晶體后，A 丫減小，困增加，脈沖寬度增加。4 參量過程中位相匹配有何意義相干長度的物理意義舉例說明實(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明共軛反射鏡消除波前畸變的過程三波混頻，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 optic

16、al 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)兩種吸收產(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)白增加而增加，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)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石英晶體是可

17、能發(fā)生的現(xiàn)象說明理由11 說出電極化率的 4 種對易對稱性，并說明滿足的條件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） 聲波和散射光波沿著特定方向聲波與強(qiáng)光波場的方向相同，散射光1，與強(qiáng)光波場 p 的方向相反（此時(shí)增益最大）2） SBS可產(chǎn)生 尸-s散射（相當(dāng)于Stokes散射），能否像SRSS樣，SBS產(chǎn)生2=+sound的散射 光波 （相當(dāng)于 anti-stokes 散射 ）如果認(rèn)為在介質(zhì)

18、中能夠產(chǎn)生2 ， 那么 2應(yīng)由， 1 通過三階非線性作用產(chǎn)生， 即 2=+s= +-1 。相位匹配條件要求：2K- Ki= K20實(shí)際上，s很小，有： 1 2,即，這三個(gè)光波 滿足K Ki K20則：（1）如果i與反向的話（增益最大時(shí)）:2K- Ki= K2難以滿足，SBS無法產(chǎn)生anti-stokes 散射光*,如圖6-1（a）所示。 2KS Kb(b)(2)如果1與不是反向的話(增益較小時(shí))，兩者只能同向，才能滿足： 2K- Ki= K2, 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)，布里淵信號將改變。(2)用

19、于相位共軻。4) L (min) =vt=20*10A (-9) *2*10A (8) =4m2根據(jù)描述晶體光學(xué)性質(zhì)的基本方程，計(jì)算：縱向運(yùn)行時(shí)，KDP晶體線性光電效應(yīng)偏振面偏車t 90度時(shí)所加的直流電壓(波長入線性折射率no二階極化率張量 X (2) xyz)例1 KDP（KH?POJ中的線性電光效應(yīng)（縱向運(yùn)用）方法二：利用波法線菲涅爾方程求解按介電張量微擾來處理。有效相對介電張量元素為：（£“ = . +2 焉 3,0）£/0） = - +2蹊（電0）瑪（0） 根據(jù)心類晶體（正方晶系）的二階電極化率張量的形式0 0 0 X1Z XZY0 XZY00000XYZ 000、

20、，ZXY ZXYYXZNoclixieax OpticPhenomem From Seeoxid-otder Electnc Polinzitioc2i：«r：5i2821:*F：50有效相對介電張量寫成矩陣的形式為'<2 點(diǎn)互(0) 0、。二 2虎耳(0)C 0再將上式代入菲涅耳方程D = %片2 E k(k E) = % % E/010=YT'屋2 Mx (0)紇3)I )kzkE2高旭(0)o/3)o 紇.3)Nonlineir Optical Phetomeiu From Second-Electee Pohn2iuoti30OV Ex=n2 010 0

21、T 0=0 10 0° E, 1人瑪Y瑪0V£x0號(5.3-25a)21:07:51Noulmear Opdeal Phecometi From Seeond-ctdtt Eleetnc Polmzihon對于Ez(s)分量的方程為紇 3) = o即沿Z方向傳播的波是橫波。對號(S)W(S)分量，12 確(0)2感藝(0)丫耳Ey)二0(5.3-25b)21:0*5!上式有解的條件是上的系數(shù)行列式等于零，即52 假(0)2瘀z(0)5_由此可得(5.3-26)W二匕-2息X(0)埒=% + 2城區(qū)(0)Z1 公;?/(。)=%0(1：2icil Phttiomyi Fro

22、m Second-Eleetnc Polmziuoti21:07:51(5.3-27)(ME)210-：5131Nodmeix Optical Phenomesu From Secocd-otder Eleetnc Pohri:Ation將燈，然分別代入本征值方程(5.3-25b)式，使可求得相應(yīng)的本征矢為：一1(5.3-28a)1一1 -(5.3-28b) 一1這表示沿Z軸(光軸)方向傳播的兩個(gè)偏振方向不同的波有不同的折射率 (&(0)=0時(shí)，在光軸方向傳播的兩個(gè)偏振方向不同的光波的折射率應(yīng)相 等，都為J。加上外電場£(。)后，使得沿T方向傳播的波在經(jīng)過距離2后 產(chǎn)生相對相

23、移:NockZO-asisyE】,呂兩個(gè)線偏振光一般合成橢圓偏振光。當(dāng)q）F時(shí)，線偏振光將旋轉(zhuǎn):例2晶體電光效應(yīng)（橫向運(yùn)用）略2推到Ruby laser通過單軸晶體（KDP）產(chǎn)生的非線性電極化強(qiáng)度21:51Notilinsig： Qptjual Pkmoin&ei From S&cotid- qeiIh Eltctoc P 口 luoHaHm 2 _ 4屈/(0) _ 4笈篇»而o(53-29)21:0 7 51Nonlj&u: Opiseal PketomtiLa Ftom Second- oidtf EUct&c PoliiixiticHi、光整流

24、效應(yīng)定義:光整流效應(yīng)，就是一個(gè)光波電場由于二階非線性電極化的非線性作用而產(chǎn)生的一個(gè)直流分量居的現(xiàn)象一反電光效應(yīng)口1962年阿姆斯特朗（Arm5tmngA-理論預(yù)言；巴斯（Bas學(xué)）-實(shí)驗(yàn)觀察: 單軸晶體一KDP:光源-調(diào)QRubj 1料黃;直流電壓-幾百微伏Ruby laser (694Jnm)O令光波電場的空間變化部分為（振幅衰減較?。海?）石（。）= E/expQ - nk r）（5.4-1）c二次非線性效應(yīng)產(chǎn)生的直流分量為P（d?=O） =2島/。（ 一。）:E（助E *（劭=2殳閡/2）（皿寫成分量的形式：.3 = 0） = 2% 瓦叫3-G）： aaafiNotdmeit Opucil Pkenomexu From Second-21:0*:51order Electnc Polidzation35因?yàn)椋?）介質(zhì)中的平常光o： 垂直于左和光軸z所組成的平面-q=0,4。0,4 =0