Номер 1, страница 215 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

1. Укажите основное различие нелинейной оптики от линейной.

1. Основное различие между нелинейной и линейной оптикой заключается в характере отклика оптической среды (например, кристалла, жидкости или газа) на воздействие проходящего через нее света, а именно — в зависимости этого отклика от интенсивности света.

В линейной оптике, которая описывает большинство повседневных оптических явлений, интенсивность света считается достаточно малой. В этом случае отклик среды, называемый поляризацией $\text{P}$, прямо пропорционален напряженности электрического поля световой волны $\text{E}$. Эта зависимость выражается формулой: $P = \epsilon_0 \chi^{(1)} E$, где $\epsilon_0$ — диэлектрическая проницаемость вакуума, а $\chi^{(1)}$ — линейная диэлектрическая восприимчивость. Для конкретного вещества $\chi^{(1)}$ является константой. Из-за этой линейной зависимости оптические свойства среды, такие как показатель преломления $\text{n}$ и коэффициент поглощения $\alpha$, не зависят от интенсивности падающего света. В линейной оптике выполняется принцип суперпозиции: световые пучки, проходя через одну и ту же область пространства, не влияют друг на друга, и частота света при прохождении через среду не изменяется.

В нелинейной оптике рассматриваются явления, возникающие при взаимодействии с веществом света очень высокой интенсивности (такого, как излучение мощных лазеров). Электрическое поле световой волны становится настолько сильным, что его можно сравнить с внутриатомными полями. В результате отклик среды перестает быть линейным. Поляризацию $\text{P}$ в этом случае представляют в виде степенного ряда по напряженности поля $\text{E}$: $P = \epsilon_0 (\chi^{(1)} E + \chi^{(2)} E^2 + \chi^{(3)} E^3 + \dots)$ Здесь $\chi^{(2)}$ и $\chi^{(3)}$ — нелинейные восприимчивости второго, третьего и более высоких порядков. Хотя их значения очень малы, при больших $\text{E}$ нелинейные члены ($ \sim E^2, \sim E^3$) становятся существенными. Это приводит к принципиально новым физическим эффектам:

1. Зависимость оптических свойств от интенсивности. Например, показатель преломления становится функцией интенсивности света $\text{I}$ (оптический эффект Керра): $n(I) = n_0 + n_2 I$. Это может вызывать самофокусировку или самодефокусировку светового пучка.

2. Нарушение принципа суперпозиции. Световые пучки могут взаимодействовать друг с другом в среде, обмениваться энергией, притягиваться или отталкиваться.

3. Преобразование частоты света. Появляется возможность изменять частоту исходного излучения. Наиболее известные примеры — генерация второй гармоники (удвоение частоты света, $\omega \rightarrow 2\omega$) и третьей гармоники ($\omega \rightarrow 3\omega$), а также генерация суммарных и разностных частот при смешении двух и более волн ($\omega_3 = \omega_1 \pm \omega_2$).

Ответ: Основное различие состоит в том, что в линейной оптике оптические свойства вещества (показатель преломления, коэффициент поглощения) считаются постоянными и не зависят от интенсивности света. В нелинейной оптике, которая проявляется при очень высоких интенсивностях света, оптические свойства вещества начинают зависеть от интенсивности, что приводит к возникновению качественно новых явлений, таких как преобразование частоты света и взаимодействие световых пучков в среде.