北工大光电子课程复习讲义汇编Word下载.docx
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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-lockedlasercanbeexpressedas:
锁模激光脉冲强度
WhereE0denotestheamplitudeoftheelectricfieldofeachlockedlongitudinalmode,assumingthatalllongitudinalmodeshaveequalamplitudes,Nisthenumberoflockedmodes,DfandDwarethefrequency-andphase-differencebetweeneachtwoadjacentmodes,respectively.Thevariationofthepulseintensitywithtimeisdepictedinthefigurewithtpdenotethepulsewidth,Ldenotethecavitylength,andcdenotethevelocityoflightinvacuum.
Pleaseshowthatthepulsewidthcanbeevaluatedby:
tp=2L/Nc
3.Pleasedescribetheformationprocessoftheultrashortpulsesinpassivemode-lockingusingsaturableabsorbers(可饱和吸收体、被动锁模).
线性放大阶段:
初始的激光脉冲具有荧光带宽的光谱含量,脉冲总量很大。
光脉冲通过染料可饱和吸收体时,对强脉冲吸收少,对弱脉冲吸收大。
光脉冲通过工作物质时,产生线性放大,自然选模。
非线性吸收阶段:
激光强脉冲使饱和吸收体呈现非线性吸收,即吸收体对强脉冲透明,强脉冲经过工作物质后增强,弱脉冲经染料吸收体而抑制
非线性放大阶段:
由于粒子反转数的消耗,使得强激光脉冲经过激光物质时,前沿和中心部分得到放大,后沿得不到放大,再当脉冲通过饱和吸收体时,后沿被吸收,脉冲变窄。
第五章作业:
1.说明选单模(横、纵)的意义和作用,给出几种选单横模、单纵模的方法。
意义:
对激光谐振腔的模式进行选择,可进一步提高光束质量。
横模选择方法:
(1)改变谐振腔的结构和参数:
使各模衍射损耗有较大的区别。
(2)腔内插入附加的选模元件:
小孔光阑,棱镜,光栅等。
纵模选择方法:
①色散棱镜法:
在腔内插入色散棱镜②光栅法:
光栅可代替棱镜(3)F-P标准具法④复合腔法;
⑤环形行波腔;
⑥利用Q开关
2.Nd玻璃激光工作物质,其荧光线宽为24.0nm,折射率1.50,若用短腔选单纵模,腔长应为多少?
(Nd玻璃激光器的工作波长为1.06um,假设激光工作物质充满腔长)。
答案:
1.56×
10-5m
3.激光器的增益线宽为1500MHz,能有多少纵模存在?
2个
4.第2题中,若在腔中插入一个F-P腔选单纵模,F-P腔的腔长为多少?
23.4μm
第六章作业:
1。
讨论提高倍频效率的方法。
(1)满足k1+k2=k3,使△k=0,达到匹配;
(2)增加非线性系数deff;
(3)适当增加L;
(4)增加基频光强I1(0)。
2。
试述实现倍频过程的相位匹配条件,并解释角度相位匹配的条件。
△k=k2w-kw=0→n1=n2
(1)两束基频光k1、k2和倍频光k3,使其满足k3=k1+k2;
(2)对于非线性晶体,找到合适的入射角满足△k=0,实现相位匹配。
3。
波长1.06微米的激光倍频实验中,采用BBO晶体做倍频晶体,折射率no1=1.655,ne1=1.539,no2=1.674,ne2=1.555,试求O+O->
e相位匹配时的相位匹配角。
例题:
定量的估算一下环境温度变化对相位差的影响程度。
实验表明KDP的折射率温度系数
该温度系数虽小,但对位相差确有很大影响。
设晶体长3cm,入射光波长600nm,温度变化1C时,引起的相位差是多少?
当变化1度时,
电光效应:
电光调制能实现对光波的相位、频率、偏振态、强度等的控制,并已有光调制器件、光偏转器、光滤波器。
电光调制:
利用晶体的电光效应,沿晶体某一方向施加外电场,使晶体内部折射率发生变化,从而使经过晶体的光传播特性发生变化。
电光效应分类:
(1)线性电光效应(pockels效应)
(2)二次电光效应(kerr效应)
一次电光效应分为纵向、横向电光效应。
纵向电光效应:
光波矢方向与外加电场方向一致。
(考)
横向电光效应:
光波矢方向与外加电场方向垂直。
,当
,称为半波电压。
光偏振状态变化:
(1)晶体不加电压,
,通过晶体后的合成光仍是线偏振光,且与入射光的偏振方向一致。
该晶体相当于“全波片”。
(2)晶体加电压
,
,合成光变为一个圆偏振光,相当于“1/4波片”。
(3)晶体加电压
,
,是合成光为线偏振光,而偏振方向相对于入射光旋转了2θ角,相当于“半波片”。
电光强度调制:
输出光强度,
假设电压为交变电压
模式色散:
不同模式之间的传输常数不同,占主要成分。
材料色散:
材料的折射率对波长不是常数,光传输的速度不同
波导色散:
光脉冲具有一定的谱线宽度,传输模的传输系数随光频改变。
磁光效应:
当某些物质外加磁场时,这种物体对外显现出磁性;
当光波通过这种磁化物体时,其传播特性发生变化,这种现象称为磁光效应。
法拉第旋转效应:
当一束线偏振光在外加磁场的作用下的介质中传播时,其偏振方向发生旋转。
塞曼效应:
(1)位置的优越性一个发光原子系统置于磁场中,其原子谱线在磁场的作用下发生分裂,此现象为塞曼效应。
兰姆下陷:
由于增益介质的增益饱和,在激光器输出功率P和频率的关系曲线上,在中心频率处输出功率出现凹陷,这种现象称为兰姆下陷。
兰姆凹陷稳频原理:
(三)大学生购买消费DIY手工艺品的特点分析
实质:
以谱线中心频率v0作为参考标准,当激光震荡频率偏离v0时,即输出一误差信号,通过电子伺服系统鉴别出偏离频率的大小和方向,输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长,从而把激光震荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处。
附件
(二):
调查问卷设计
模色散:
与此同时,上海市工商行政管理局也对大学生创业采取了政策倾斜:
凡高校毕业生从事个体经营的,自批准经营日起,1年内免交登记注册费、个体户管理费、集贸市场管理费、经济合同鉴证费、经济合同示范文本工本费等,但此项优惠不适用于建筑、娱乐和广告等行业。
根据调查资料分析:
大学生的消费购买能力还是有限的,为此DIY手工艺品的消费不能高,这才有广阔的市场。
稳频定义:
(书上为倒数形式)
倍频效率:
1.主动锁模(ns):
采用的是周期性调制谐振腔参量的方法。
如电光调Q,声光调Q,…..
2.被动锁模(ps):
是采用可饱和吸收体改变激光脉冲过程的方法。
3.
4.功能性手工艺品。
不同的玉石具有不同的功效,比如石榴石可以促进血液循环,改善风湿和关节炎;
白水晶则可以增强记忆力;
茶晶能够帮助镇定情绪,缓解失眠、头昏等症状。
顾客可以根据自己的需要和喜好自行搭配,每一件都独一无二、与众不同。
主+被动锁模(ps):
在谐振腔内插入周期性调制元件和可饱和吸收体。
5.同步泵浦锁模(fs):
采用一台已经锁模的激光器泵浦另一台激光器。
6.
7.PS:
消费者分析自锁模(fs):
是依靠激光器自身的激活介质的非线性效应。
光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器,属于第三代激光器。
(高峰值功率、窄脉宽、高重复频率、散热好、易集成)
光纤传输条件:
全反射条件、相干加强条件。
他们的成功秘诀在于“连锁”二字。
凭借“连锁”,他们在女孩们所喜欢的小玩意上玩出了大名堂。
小店连锁,优势明显,主要有:
激光器条件:
粒子数反转、光学谐振腔建立稳定震荡。
(增益介质、谐振腔、泵浦)