2025年大学《化学测量学与技术》专业题库- 非线性光学显微镜技术在化学测量中的应用

2025年大学《化学测量学与技术》专业题库——非线性光学显微镜技术在化学测量中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内。）1.当入射激光频率为ω时，产生二次谐波（SHG）的出射光频率为：(A)2ω(B)ω/2(C)ω/3(D)ω+ω2.非线性光学效应的产生依赖于：(A)光的线性极化(B)光的干涉(C)材料的三阶非线性极化率(D)激光的低功率3.相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）信号主要源于：(A)基态和激发态之间的弛豫(B)分子振动和转动的非谐振动(C)入射激光与斯托克斯光之间的差频(D)材料对二次谐波的选择性吸收4.超分辨非线性光学显微镜技术能够突破传统光学显微镜衍射极限的根本原因是：(A)使用了特殊的光学元件(B)利用非线性光学效应选择性地激发或探测亚波长结构(C)提高了激光的功率(D)对样品进行了特殊染色5.在生物样品成像中，二次谐波成像（SHG）主要利用生物样品中哪种结构产生信号？(A)细胞核和线粒体(B)胞外基质和某些蛋白质(C)细胞膜脂质双分子层(D)水分子6.非线性光学显微镜中，锁相放大器的主要作用是：(A)产生探测光(B)调节激光功率(C)提取与参考光相位同步的信号，抑制噪声(D)放大非线性信号7.与二次谐波（SHG）相比，和频成像（SFG）的优点之一是：(A)信号强度更强(B)对相位匹配要求更低(C)可以选择性地激发特定手性分子(D)成像深度更大8.在非线性光学显微镜中，选择激光器波长时需要考虑的因素之一是：(A)激光器的价格(B)样品的非线性吸收特性(C)显微镜物镜的数值孔径(D)操作人员的喜好9.三阶谐波产生（THG）信号主要依赖于：(A)材料的三阶非线性极化率(B)光的线性散射(C)入射光的相干性(D)样品的厚度10.非线性光学显微镜技术相比传统光学显微镜，在化学测量中最突出的优势之一是：(A)成像速度更快(B)可以实现对深层次样品的无损检测(C)能够提供分子组成和结构的超分辨率信息(D)对样品的制备要求更低二、填空题（每空2分，共20分。请将正确答案填在横线上。）1.非线性光学效应产生的强度与入射光强度的______次方成正比。2.为了产生有效的二次谐波信号，需要满足______条件。3.与CARS类似，受激拉曼散射（SRS）也是一种______光谱技术，它利用激光与分子______振动之间的相互作用产生信号。4.超分辨非线性光学显微镜技术能够实现纳米级别的分辨率，其基本原理是基于亚波长结构对入射光的______效应。5.在NLO显微镜系统中，通常使用______光作为参考光，用于后续的信号处理和相干检测。6.多光子光声成像（MPS）利用了非线性吸收效应，产生的光声信号与入射光强度的______次方相关。7.根据泡利原理，非线性光学效应通常只在激光频率______于样品介电常数实部的情况下才能有效发生。8.______成像是NLO显微镜技术中一种重要的超分辨方法，它基于激发态分子间的能量转移。9.在生物样品的SHG成像中，细胞核通常比细胞质发出更强的信号，这主要是因为细胞核中含有较高的______含量。10.选择合适的______和______是实现有效NLO成像的关键因素。三、简答题（每题5分，共20分。）1.简述非线性光学效应与线性光学效应的主要区别。2.解释什么是相位匹配，为什么它在NLO显微镜中至关重要？3.与传统的荧光显微镜相比，超分辨非线性光学显微镜技术（如SHG、CARS）在生物样品成像中有哪些独特的优势？4.简述受激拉曼散射（SRS）技术如何实现化学特异性成像。四、论述题（每题10分，共20分。）1.详细论述非线性光学显微镜技术（选择其中一种或结合几种）在化学测量（如材料分析、痕量检测、反应过程监测等）中的应用潜力及其面临的挑战。2.结合非线性光学原理，讨论如何优化NLO显微镜的实验参数（至少列举三个关键参数）以获得更好的成像质量和化学信息。---试卷答案一、选择题1.(A)2.(C)3.(C)4.(B)5.(B)6.(C)7.(C)8.(B)9.(A)10.(C)二、填空题1.二2.相位匹配3.拉曼，振动4.选择性激发（或非线性响应）5.相干（或参考）6.三（或高）7.小（或低于）8.相干反斯托克斯拉曼散射（或CARS）9.二硫化物（或类金属）10.激光波长，扫描模式（或光路设计）三、简答题1.解析思路：线性光学效应是指光与物质相互作用时，出射光的频率、振幅和相位与入射光保持线性关系，如反射、折射、线性吸收和散射。非线性光学效应则是指当入射光强足够高时，光与物质相互作用产生的出射光频率、振幅或相位发生改变，与入射光呈现非线性关系，如谐波产生、和频、差频、拉曼散射等。关键区别在于是否依赖高光强以及输出光的非线性特性。2.解析思路：相位匹配是指为了产生有效的NLO信号，输出光的相位在空间上保持一致，避免因相位干涉而相互抵消。其重要性在于：没有相位匹配，即使材料具有非线性响应，也无法在特定方向上观察到强烈的NLO信号，或者信号强度极弱。相位匹配条件通常与材料的非线性极化率张量、入射光波长、输出光波长以及晶体（或介质）的几何构型有关。3.解析思路：独特优势主要从三个方面考虑：①超分辨率：突破衍射极限，实现纳米级甚至分子级成像；②化学特异性：SHG对特定结构（如二硫化物）选择性激发，CARS/SRS基于分子振动频率选择性成像，避免荧光背景干扰；③对活细胞成像：部分NLO技术（如SHG）对活细胞无染料标记损伤，可进行原位、实时观察。4.解析思路：SRS是差频光谱技术，利用激光与分子特定振动模式之间的能量共振。当两束频率分别为ω1和ω2（通常ω1>ω2）的激光同时作用于样品，且其中一束（ω1）与分子某个振动能级E_v发生共振时，如果满足能量和动量守恒，分子会被激发到振动能级E_v'。随后，分子从E_v'弛豫回基态E_0，同时发射一束频率为ω_out=ω1-ω2、能量对应于振动频率ν=(E_v'-E_0)/(h)的斯托克斯光。因此，SRS信号强度与特定分子的振动频率和激光强度密切相关，具有高度的化学特异性。四、论述题1.解析思路：①应用潜力：从材料科学（表征纳米结构、界面化学、成分分析）到生命科学（细胞超分辨成像、分子相互作用追踪、药物递送监测）再到环境科学（水体中痕量污染物检测），NLO技术提供了独特的成像和分析手段。例如，利用SHG成像生物分子结构，利用CARS/SRS进行化学识别。②面临挑战：a)仪器昂贵，操作要求高；b)激光安全性问题（特别是深紫外激光）；c)对样品透明度和厚度有限制（非线性吸收和散射）；d)相位匹配条件的限制（影响成像深度和角度）；e)数据采集和处理相对复杂。2.解析思路：①激光波长选择：需根据样品的吸收特性、所需的非线性效应（如SHG、CARS、THG对波长依赖不同）、以及相位匹配条件来选择。例如，生物样品中SHG信号通常在深紫外（如400nm附近）最强。②激光功率：需足够高以激发非线性效应，但也要避免样品损伤和光漂白。功率选择需与非线性系数、样品吸收、探测器灵敏度平衡。③扫描模式：如使用扫描探针显微镜（