北工大光电子课程复习讲义教学内容Word文件下载.docx
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九、光纤激光器基本原理
绪论的作业：
1．光电子学的定义是什么？
有几方面内容？
光学与电子学相结合形成的技术学科。
研究光频电磁波场与物质相互作用过程中的能量相互转换。
包括：
激光与红外物理学，非线性光学；
波导光学；
半导体光电子学；
傅里叶光学等。
2．举例写出几种光电子学应用实例。
激光矫正近视手术、飞秒激光器、光子晶体
3．描述一下激光器的组成、特性、分类。
特性：
单色性、相干性、方向性、高亮度
4.人眼安全波段是多少？
小于400nm，大于1400nm。
5.激光的时间相干和空间相干特性决定激光器的什么光学特性？
单色性；
高亮度。
第二章作业：
1、调制有几种？
a）根据调制器和激光器的相对关系：
内调制、外调制。
b）根据调制波的振荡形式：
模拟式调制、脉冲调制
c）根据激光被调制的性质：
调幅、调频、调相、强度调制、脉冲调制
d）根据调制的光信号：
声光、磁光、电光调制。
2、什么叫电光调制？
调制晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，当光波通过介质时，传输特性受到影响而改变。
3、晶体的折射率通常用什么方程描述？
请写出KDP晶体加电压和不加电压时的晶体折射率方程。
折射率椭球方程
（1）无外加电场：
（2）有外加电场：
得：
4、请推导KDP晶体沿Z轴加电压时不含交叉项的折射率方程，并写出三个主轴的折射率表达式。
若E||Z，则
（1）
设坐标变化为：
代入
（1），得
另角度为45度，则
令
，得
5、试设计一种电光调制实验装置，如何检验入射光的偏振态（线偏振光、椭圆偏振光、自然光）。
如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强调制？
为什么？
6、某电光晶体，工作波长1.06微米，n0=1.76，r63＝12.3×
10-12m/V，求非线性晶体上的半波电压。
7、请证明KDP纵向（r63）电光调制装置中加入四分之一波片后的透过率近似为：
8、什么是声光调制效应？
声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时介质产生弹性形变，激起介质中的质点沿着声波传播方向振动，使介质呈现的疏密相间的交替变化，即使得介质的折射率也随着发生相应的周期变化。
这种疏密相间的变化，即形象的描述了一种光学元件—光栅。
该光栅常数等于声波波长。
再当光波通过介质时，光产生衍射。
其衍射光的强度、方向、频率将随着加在介质上的声波场的变化而变化。
9、一钼酸铅声光调制器，对He-Ne激光进行调制，已知声功率为1W，声光互作用长度为1.8mm，换能器宽度H=0.8mm，M2=36.3*10^-15S^3.Kg^-1,试求钼酸铅声光调制器的布拉格衍射效率。
Ps超声驱动功率、M2是品质因数、L长度、H为换能器宽度、
为光波波长。
10、一束线偏振光通过长25cm，直径1cm的实心玻璃棒，外绕250匝导线，通电流5A，韦尔代常数V=0.5分/G.cm，计算光的旋转角。
第三章作业：
1、晶体分为几大晶系，分别是什么？
七大晶系：
立方、三方、四方、六方、正交、单斜、三斜
2、晶体的对称性如何定义？
对称操作有哪几种？
对称要素：
对称中心、对称面、旋转轴、旋转倒反轴（复合
3、什么叫张量？
二阶张量和三阶张量的区别是什么？
描述作用物理量与感生物理量关系的系数矩阵。
二阶张量有9个分量，三阶有27个。
4、在本章中，坐标变换的意义是什么？
坐标变换可以简化系数矩阵，消除交叉项。
5、已知对称操作的变换矩阵是Ac，四次旋转轴操作的变换矩阵是AL4，求四次旋转倒反轴操作的变换矩阵。
6、推导KDP电光晶体的电光系数矩阵的简化矩阵。
（KDP为四方晶系，4_2m点群）
Homework1：
1.Pleaseillustratethephysicalprocessesinvolvedintheformationofrelaxationoscillationinsolid-statelasers。
请阐述固体激光器形成驰豫振荡的物理过程。
产生持豫振荡的主要机理：
1）当激光工作物质被泵浦，激光上能级的反转粒子数密度超过域值条件时，腔内光子数密度增加，发射激光。
2）随着激光的输出，激光上能级的反转粒子数大量消耗，导致粒子反转数下降，当低于域值时，激光振荡停止。
3）由于光泵的继续抽运，上能级粒子数反转数重新积累，当再次超过域值时，又产生第二个脉冲，
4）如此不断重复，直至泵浦结束。
2.InQ-switching,wehavetwoapproachestoachieveenergystorage:
bythegainmediumandbyphotonsinthecavity.Pleasedescribetheirprinciplesanddifferences.调Q技术有增益介质储能和光子储能，请简述它们的原理和区别。
a.激活介质储能
当光泵的能量被激光介质吸收后，使激活离子贮存在激活介质的高能态上（该能级有一定的寿命）。
不产生激光辐射，从而使反转粒子数达到最大值。
实现这一过程，满足的条件：
G<
d。
Dn达到最大值，增益达到最大，而d很大，阈值高，满足Gmax<
d,Q值低,激光不振荡。
b.光子储能：
激活介质－谐振腔组合储能
先使反转粒子数达到最大值,但满足Gmax<
然后使Gmax<
d～产生激光－又以光子的形式贮存在腔内。
3.PleaseshowthatthemaximumnumberofphotonsinthecavityofaQ-switchedlasercanbeexpressedas：
whichcanbeapproximatedas:
解：
两式相除：
；
之后积分得光子数最大值。
第二问：
？
Homework2：
1.PleasedescribetheQ-switchingprocessusingdouble-andsingle-polarizerdevices.请简述单双偏振器调Q过程。
（双）第一阶段：
Vλ/2
荧光经P2变成线偏光。
偏振光通过KDP晶体，偏振方向旋转90度。
因为P1//P2，从晶体出来的光不能通过P1，被P1反射掉。
不能形成腔内振荡。
相当于腔内光子的损耗很大，Q值很低，处于“关门”状态。
偏振光通过KDP晶体时分解为沿X和Y方向振动的振幅相等的两束光，两束光的振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播时，其合成的轨迹由两光的相位差来决定，当时，两束光合成为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原振动方向旋转90度。
第二阶段：
V=0
脉冲形成阶段，Q开关完全打开在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值Dnmax时，突然退去晶体上的电压，这时晶体又恢复了原来的状态，光在腔内形成振荡,输出巨脉冲。
（单）第一阶段：
V=Vl/4
从YAG来的光通过P变成x（y）方向振动的线偏光，通过KDP后变成圆偏光（偏振面旋转45度），这束圆偏光通过全反射后第二次通过KDP，又变成线偏光，偏振方向和入射光的偏振方向成90度，不能通过P，无腔内振荡。
第二阶段：
Q开关完全打开，处于“开门”状态。
光在腔内形成振荡,输出巨脉冲。
2.PleasedescribetheprinciplesforQ-switchingusingasingletetragonalprismofelectro-opticalmodulationcrystalwithdouble45overtexangles.请简述单块双45°
电光调Q原理。
Vx=0，LN处于开启状态。
V=Vλ/2，双45°
LN等效于在两个偏振起间加一块调制晶体，LN处于调Q关闭状态。
第一阶段：
V=Vλ/2，e光和e光均偏离原传播方向，高损耗，低Q，不能形成振荡。
V=0，Q增加到Qmax，反转粒子数减小到阈值，输出巨脉冲。
3.PleasecomparethetwoQ-switchingtechniquesusingPRMandPTM.请简述PTM和PRM调Q区别。
①概念：
PRM：
由输出反射镜输出激光脉冲的调Q方式。
PTM：
由腔内特定光学元件输出激光脉冲的调Q方式。
②输出方式：
PRM的光输出方式为经过透反镜输出，PTM的光由腔内的特定光学器件输出。
③效率：
PTM>
PRMPRM振荡与输出同时进行，PTM先振荡，腔内储存光能后再输出。
④脉冲宽度：
PTM<
PRM
⑤储能方式：
PRM工作物质（激活介质）储能，PTM谐振腔内光子储能。
Homework3:
1.Theoscillationlinewidth（震荡线宽）ofamode-lockedlaseris∆λ=40nmatFWHM.Thecavitylength（腔长）ofthislaseris1.87m.Thelaseroutputslaserpulsesatacenterwavelengthof（中心波长）
0=800nmwithanaveragepower（平均功率）of1W.
（1）Pleasecalculatetheperiodoftheoutputpulsetrain（脉冲序列周期）,thepulsewidth（脉冲宽度）andthepeakpowerofasinglepulse（单脉冲峰值功率）.
（2）Usingactivemode-lockingbyacouto-opticalmodulationandassumingthemodulationoftheelectricfieldappliedo,pleasefindthevalueofwm.
（Hint:
forGaussianpulsestheproductbetweenthepulsewidthandfrequencybandwidthisaconstantof0.441）
2.Theoutputpulseintensityofamode-lockedlasercanbeexpresseda
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