非线性光学考试知识答案

1、1 说出电极化率的 4 种对易对称性，并说明满足的条件本征对易对称性 (不需要任何条件) 、 完全对易对称性 (介质无耗) 、 时间反演对称性 (介质无耗)、空间对称性x"是对称张量(介质无耗)；2 说出下式的物理意义：0 x(3x)yz( m, n, l)Ex( m)Ey(n)Ez( l)exp i( m n l )t表不由频率为3m,场振动方向为x方向的场分量Ex( cm),频率为 5、场振动方向为y方向的场分量Ey(以及频率为31,场振动方向为z方向的场分量Ez( 3)三者间的非线性相 互作用所引起的在x 方向上的三阶非线性电极化强度的一个分量。3 对于二次谐波和三次谐波， 相

2、 干长度的物理意义参量过程中的位相匹配有和物理意义举例说明两种实现位相匹配的方法1) Lc物理意义：三次谐波强度第一次达到其最大值的路程长度，典型值为 1100mm.如 K=0, Lc为无穷大。2) 位相匹配的物理意义：在位相匹配条件下，二次谐波和三次谐波等非线性效应产生过 程效率会大到最高，相应的位相不匹配条件下，产生效率会大大降低。3)利用晶体的双折射特性补偿晶体的色散效应，实现相位匹配。在气体工作物质中，利用缓冲气体提供必要的色散，实现相 位匹配。4 为什么参量振荡器能够产生连续输出频率，而激光器只能输出单个频率能量守恒3=1+2动量守恒n33=nii +n22改变温度、角度(对非常光)

3、、电场、压力等可改变晶体的折射率，从而改变参量振荡器的输出频率 1， 2。因此参量振荡器可实现连续调谐。而激光振荡器是利用原子跃迁的机理工作的， 不能连续调谐。 这是参量振荡器和激光振荡 器的区别5 在拉曼散射中， 为何观察不到高阶斯托克斯散射在受激拉曼散射中， 高阶斯托克斯散射 光 却较强高阶斯托克斯光的散射角有什么变化规律由P , s非线性作用产生。如一级反斯托克斯散射光S=p+v=p+ p-s由p, p, s通过三阶非线性产生。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，一级反斯托克斯散射光只有满足相位匹配条件： K = 2K K K '0ps1s1时才能有效地产生。高阶斯托克斯光散射角变化规律：斯托克斯散射光都是沿着与入射光方向成。角的圆锥角射出，其波矢均满足一定的矢量关系，所以斯托克斯光都将相对于kp 以一定的角度发射。6解释强脉冲通过介质时的自变陡现象光脉冲的自变陡现象：峰值处 n上升，光速下降，而在后沿光强下降 ，n下降，光速逐渐变大，以至脉冲后面部分的光“赶上”前面部分的光，造成光脉冲后沿变陡。7你知道哪几种散射效应，都有什么特点拉曼散射、布里渊散射、受激拉曼散射、受激布里渊散射，瑞利散射五种散射效应受激拉曼散射：强激光照射某些

5、介质时，在一定的条件下，散射光具有受激的性质。特点：相干辐射；强。(a)明显的阈值性：即只有当入射激光束的光强或功率密度超过一定激励阈值后，才能产生受激喇曼散射效应。(b)明显的定向性：即当入射激光超过一定的阀值后，散射光束的空间发散角明显变小, 可达到与入射激光相近的发散角。(c)高单色性:当超过一定的激励阈值后，散射光谱的宽度明显变窄，可达到与入射激光(6070%).单色性相当或更窄的程度。(d)高强度性:受激喇曼散射光强或功率可以达到与入射激光束相比拟的程度(e)随时间的变化特性：与入射激光随时问变化的特性相类似，受激散射光脉冲时间可远短于入射激光脉冲的持续时间 方向：声波和散射光波沿着

6、特定方向受激布里渊散射-声波与强光波场的方向相同，散射光1与强光波场p的方向相反(此时，增益最大)。SBS有阈值性(与受激拉曼散射相同)o受激布里渊散射也是非参量过程。SBS同样可通过耦合波理论获得 ,仿照SRS的写法,有:dEi3i i ,SBS(1, p, p, 1dzcn1)Ep2Ei瑞利散射瑞利散射是指散射粒子线度比波长小得多的粒子对光波的散射，其特点:8 相位共轭波的定义三波混频， 有哪些重要的应用1、散射光强与入射波长的四次方成反比；2、散射光强随观察方向而变，在不同的观察方向上，散射光强不同；3、散射光具有偏振性，其偏振程度决定于散射光与偶极矩方向的夹角。瑞利散射规律适用于微粒线

7、度在十分之一波长以下的极小微粒。前 向四波混频和后向四波混频哪一个更重要为什么四波混频设光波场的复振幅Es(r)为相位共轲波复振幅Ep(r)为结论：相位共轭波并不是该光波场总表示式的复振幅，而只是其复振幅的复共轭，完全不s(r)(r)ei (r)*p(r) s(r)(r)ei(r)涉及光场表示式中的时间因子。注: (1) 即使 P(r) C S(r),仍表明EP (r,t), ES (r,t谑共轲关系。(2) (r)由介质的不均匀性决定，即与折射率的变化n有关；A(r)主要与光吸收和光散射有关。背向四波混频更重要；将DFWM相位共轲与TWM相位共轲比较：在DFWM中，若泵浦光 Ei, E2彼此

8、反向传播， 散射光时就必然地沿入射信号光E3的反向传播，也就是说对于任意方向的入射光，DFWM过程皆可自动地满足相位匹配条件，所产生的散射光总是入射信号光的背向相位共轭光。而 TWM 相位共轭中，对相位匹配条件有苛刻的要求。而前向四波混频只适用于薄样品，并且只有波矢满足K4=2K1,2- K3的散射光才能产生(即需满足相位匹配)。故背向四波混频更重要。应用：相位共轭谐振腔、自适应光学、图像传递、无透镜成像、实时空间相关和卷积9 你认为二阶非线性效应中的哪一个效应最为重要三阶非线性效应中哪一个最为重要实际应用中，作为光开关人们一般利用 Pockels 效应还是 optical kerr 效应二阶

9、非线性效应中，线性电光效应最重要。三阶非线性效应中，克尔效应最重要。作为光开关，(书上174 页，第 5 章三阶非线性光学效应节克尔效应与光克尔效应)介绍了光克尔开关，可以写人们一般利用光克尔开关【答疑结果： 实际应用中多用前者，因为后者是三阶非线性效应，而且要求广场能量必须非常高，这样就非常容易打坏器件材料！而前者是利用电场，技术成熟而且不会对器件材料造成损伤！ 】光克尔效应可用于构造一种超快光开关，(其原理如图见书)在政教片真气之间放置光克尔介质（样品），不加强激光脉冲（开关光束）时，任何光场都无法通过检偏器，开关处 于关闭状态；一旦加上开关激光脉冲，由于感应双折射，探测光通过长度为l的光

10、克尔介质时，在与开关光偏振方向平行和垂直方向的分量间产生相位差：2 ,、，（n n ）l使得入射线偏振光变为椭圆偏振光，该光可以通过检偏器输出，开关处于开启状态。（可 以把后面的性质、应用也写上）以下是网上资料简述普克尔效应开关：在锯酸锂中制造的高速马赫 -曾德尔调制器，作为已经有商品供给的普克尔效应开关，是 通过修整尽缘缓冲层的电性能，或通过用没有直流偏置来调整器件运行，已经给器件提出了电压稳定性题目。克尔效应开关：克尔效应，亦即由光强度通过材料中的三阶光非线性度直接控制折射率，逐一提供光信号的直接控制。它支撑着在目前还是研究课题的甚高速光逻辑器件的技术发展。现在能很轻易产生的甚短（fs）、

11、甚强的多种光信号，可直接在光纤或半导体波导中相互影响，已经达 到了数百Gb/s的光数字式运行。 可是，由于强度拖累，克尔效应开关在广泛使用的带宽 与强度的路由光信号方面并没有作用。10 飞秒激光器入射在玻璃中，我们能观察到什么现象说明理由 光线的自聚焦效应，一束强激光本身就有的光克尔效应。在中心处的折射率为最大或最小，由三阶非线性极化率是正或负所决定。正透镜效应-使光束本身愈来愈向高强度区域聚集，这叫做自聚焦效应。但截面较小的光束还要发生衍射 效应，只有自聚焦效应强于衍射效应时，光才能表现出自聚焦现象。“E21 2自聚焦效应正比于，衍射效应r（与光束焦点处的束腰半径平方成反比）。因此，由于自聚

12、焦作用，自聚焦效应和衍射效应同时增强。如果后者增强得 较快，则在某一点处，光束将出现衍射现象。但大多数情况下，一旦自聚焦作用开始，自 聚焦效应总是强于衍射效应，自聚焦作用一直进行着（焦点位置不变）。当自聚焦效应和衍射效应平衡时，光束在介质中传播较长的距离，光束直径不变-自陷：光丝吸收和散射将引起激光强度减弱，破坏自聚焦和衍射之间的平衡，引起光束衍射。以下非线性光学作用使自聚焦作用中止：受激拉曼散射;受激布利渊散射；双光子吸收；光损伤。11 光折变效应在引起折射率变化上有什么特点1) 光折变效应与光强无关， 光强仅影响光折变过程的速度。 通过均匀光照或加热(使电荷重新恢复均匀分布，折射率变化消失

13、)可以消除光折变，使晶体恢复初态。2) 光折变响应是非局域的， 通过光折变效应建立的折射率相位光栅在时间上滞后； 在空间上非局域响应，即折射率变化最大处并非光照的最强处。12 偏振光沿着光轴方向通过石英晶体是可能发生的现象说明理由当一束线偏振光沿光轴方向通过石英晶体可能会发生旋光效应， 其偏振面旋转的角度与材料的厚度成正比。 非涅耳解释： 认为入射的平面偏振光是旋转方向相反的两个圆偏振光之和， 并假定圆偏振光通过上述那些介质时是不变的， 但右旋圆偏振光与左旋圆偏振光在介质中传播速度稍有不同， 这两个旋转方向相反的圆偏振光在通过介质后， 一个光波的相位相对于另一个便有了相移。因此， 当两个圆偏振

14、光在介质出射面处重新组合时，偏振面便产生了旋转。13 光在非线性介质中传播时，相应的电位移矢量和电场矢量方向能否相同正常情况下不能，特殊情况下能。理由()1 为什么参量振荡器能过改变输出频率在参量振荡器中是否有更高的泵浦光的频率为什么如果有，较高频率的辐射和较低频率的辐射哪一个更强为什么【答疑结果】1) 参量振荡器能改变输出频率大家都知道原因；2) 能产生高于泵浦光频率的光，3) 较低频率的更强；因为在谐振腔内的光在满足倍频或者和频的条件时将会有可能产生更高频率的光，但是较高频率的光产生条件是:在满足参量振荡的前提下还要满足和频或者倍频等额外条件，因此要求更多，实现更不容易！2 在拉曼散射中，

15、 为何观察不到高阶斯托克斯散射在受激拉曼散射中， 高阶斯托克斯散射 光 却较强高阶斯托克斯光的散射角有什么变化规律3 为什么强光脉冲通过非线性晶体时脉冲宽度要增加群速色散，A vtMo通过非线性晶体后，A 丫减小，困增加，脉冲宽度增加。4 参量过程中位相匹配有何意义相干长度的物理意义举例说明实现两种位相匹配的方法5 在位相共轭波的定义画图说明共轭反射镜消除波前畸变的过程三波混频，前 向四波混频和后向四波混频骂一个更重要为什么四波混频有哪些重要的应用6 你认为二阶非线性效应中的哪一个效应最为重要三阶非线性效应中哪一个最为重要实际应用中，作为光开关人们一般利用 Pockels 效应还是 optic

16、al kerr 效应7 飞秒激光器入射在玻璃中，我们能观察到什么现象说明理由8 光折变效应在引起折射率变化上有什么特点9 饱和吸收和反饱和吸收与光强是否有关两种吸收产生的条件吸收系数随光强的增加而减小，称为饱和吸收（SA）；吸收系数随光强白增加而增加，称为反饱和吸收 （RSA） 。反饱和吸收产生的条件只与吸收截面有关,而反饱和吸收向饱和吸收转化不只与吸收截面有关,还受入射光强影响。即使吸收截面满足转化条件,入射光强没有达到阈值光强 ,产生反饱和吸收现象 ,但不发生反饱和吸收向饱和吸收转化。转化的阈值光强由材料的吸收截面、能级寿命以及饱和光强决定。10 当一束线偏振光沿着光轴方向通过石英晶体是可

17、能发生的现象说明理由11 说出电极化率的 4 种对易对称性，并说明满足的条件1 受激布里渊散射为什么产生的事背向散射光根据位相匹配条件画图分析受激布里渊散射能否产生反斯托克斯散射光该散射又和应用假设受激布里渊散射的声子寿命是20ns ， 那么他在应用于光纤温度传感技术中， 探测器能分辨的由温度引起变化的最小距离是多少1） 声波和散射光波沿着特定方向声波与强光波场的方向相同，散射光1，与强光波场 p 的方向相反（此时增益最大）2） SBS可产生 尸-s散射（相当于Stokes散射），能否像SRSS样，SBS产生2=+sound的散射 光波 （相当于 anti-stokes 散射 ）如果认为在介质

18、中能够产生2 ， 那么 2应由， 1 通过三阶非线性作用产生， 即 2=+s= +-1 。相位匹配条件要求：2K- Ki= K20实际上，s很小，有： 1 2,即，这三个光波 满足K Ki K20则：（1）如果i与反向的话（增益最大时）:2K- Ki= K2难以满足，SBS无法产生anti-stokes 散射光*,如图6-1（a）所示。 2KS Kb(b)(2)如果1与不是反向的话(增益较小时)，两者只能同向，才能满足： 2K- Ki= K2, SBS 产生较弱的anti-stokes散射光*,如图6-15(b)所示。3)应用：(1)光纤传感：当温度或应变发生变化时，布里渊信号将改变。(2)用

19、于相位共轲。4) L (min) =vt=20*10A (-9) *2*10A (8) =4m2根据描述晶体光学性质的基本方程，计算：纵向运行时，KDP晶体线性光电效应偏振面偏车t 90度时所加的直流电压(波长入线性折射率no二阶极化率张量 X (2) xyz)例1 KDP（KH?POJ中的线性电光效应（纵向运用）方法二：利用波法线菲涅尔方程求解按介电张量微扰来处理。有效相对介电张量元素为：（£“ = . +2 焉 3,0）£/0） = - +2蹊（电0）玛（0） 根据心类晶体（正方晶系）的二阶电极化率张量的形式0 0 0 X1Z XZY0 XZY00000XYZ 000、

20、，ZXY ZXYYXZNoclixieax OpticPhenomem From Seeoxid-otder Electnc Polinzitioc2i：«r：5i2821:*F：50有效相对介电张量写成矩阵的形式为'<2 点互(0) 0、。二 2虎耳(0)C 0再将上式代入菲涅耳方程D = %片2 E k(k E) = % % E/010=YT'屋2 Mx (0)纥3)I )kzkE2高旭(0)o/3)o 纥.3)Nonlineir Optical Phetomeiu From Second-Electee Pohn2iuoti30OV Ex=n2 010 0

21、T 0=0 10 0° E, 1人玛Y玛0V£x0号(5.3-25a)21:07:51Noulmear Opdeal Phecometi From Seeond-ctdtt Eleetnc Polmzihon对于Ez(s)分量的方程为纥 3) = o即沿Z方向传播的波是横波。对号(S)W(S)分量，12 确(0)2感艺(0)丫耳Ey)二0(5.3-25b)21:0*5!上式有解的条件是上的系数行列式等于零，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城区(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将灯，然分别代入本征值方程(5.3-25b)式，使可求得相应的本征矢为：一1(5.3-28a)1一1 -(5.3-28b) 一1这表示沿Z轴(光轴)方向传播的两个偏振方向不同的波有不同的折射率 (&(0)=0时，在光轴方向传播的两个偏振方向不同的光波的折射率应相 等，都为J。加上外电场£(。)后，使得沿T方向传播的波在经过距离2后 产生相对相

23、移:NockZO-asisyE】,吕两个线偏振光一般合成椭圆偏振光。当q）F时，线偏振光将旋转:例2晶体电光效应（横向运用）略2推到Ruby laser通过单轴晶体（KDP）产生的非线性电极化强度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、效应定义:光整流效应，就是一个光波电场由于二阶非线性电极化的非线性作用而产生的一个直流分量居的现象一反电光效应口1962年阿姆斯特朗（Arm5tmngA-理论预言；巴斯（Bas学）-实验观察: 单轴晶体一KDP:光源-调QRubj 1料黄;直流电压-几百微伏Ruby laser (694Jnm)O令光波电场的空间变化部分为（振幅衰减较小）：（7）石（。）= E/expQ - nk r）（5.4-1）c二次非线性效应产生的直流分量为P（d?=O） =2岛/。（ 一。）:E（助E *（劭=2殳阂/2）（皿写成分量的形式：.3 = 0） = 2% 瓦叫3-G）： aaafiNotdmeit Opucil Pkenomexu From Second-21:0*:51order Electnc Polidzation35因为（1）介质中的平常光o： 垂直于左和光轴z所组成的平面-q=0,4。0,4 =0