激光核心技术答案.docx

激光核心技术答案.docx

《激光核心技术答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光核心技术答案.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

激光核心技术答案

考试时间：

12月17日19:

00—21:

00

考试地点：

思源楼411，412，

座位安排：

学号0321在411教室，05231144—06292044在412教室

第一章作业（激光技术--蓝信鉅，66页）答案

2．在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一种1／4波片，

（1）它轴向应如何设立为佳?

（2）若旋转1／4波片，它所提供直流偏置有何变化?

答：

（1）.其快、慢轴与晶体主轴x轴成450角（即快、慢轴分别与x’、y’轴平行）。

此时，它所提供直流偏置相称于在电光晶体上附加了一种V1/4固定偏压（Ex’和Ey’附加位相差为900）；使得调制器在透过率T=50%工作点上。

（2）.若旋转1／4波片，会导致Ex’和Ey’附加位相差不再是900；因而它所提供直流偏置也不再是V1/4。

固然调制器工作点也偏离了透过率T=50%位置。

3.为了减少电光调制器半波电压，采用4块z切割KDP晶体连接（光路串联、电路并联）成纵向串联式构造。

试问：

（1）为了使4块晶体电光效应逐块叠加，各晶体x和y轴取向应如何?

（2）若λ=0.628μm，n。

＝1.51，γ63＝23.6×10—12m／V，计算其半波电压，并与单块晶体调制器比较之。

解：

（1）为了使晶体对入射偏振光两个分量相位延迟皆有相似符号，则把晶体x和y轴逐块旋转90安顿，z轴方向一致（如下图），

（2）.四块晶体叠加后，每块晶体电压为：

而单块晶体得半波电压为：

与前者相差4倍。

4．试设计一种实验装置，如何检查出入射光偏振态（线偏光、椭圆偏光和自然光），并指出是依照什么现象?

如果一种纵向电光调制器没有起偏器，入射自然光能否得到光强调制?

为什么？

解：

（1）实验装置：

偏振片和白色屏幕。

a.在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，如果有两次消光现象，则为线偏振光。

b.在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，如果光强有两次强弱变化（但无消光现象发生）；则为椭圆偏振光。

c.在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，如果光强没有变化；则为自然光（或圆偏振光）。

区别两者也不难，只需在偏振片前放置一种四分之一波片（可使圆偏振光变为线偏振光，可浮现a现象）即可。

（这里自然光却不能变成线偏振光）

（2）自然光得不到调制。

因素是自然光没有固定偏振方向，当它通过电光晶体后没有固定位相差；因而不能进行调制。

第一章补充作业：

a.电光调制：

运用光电效应将信息加载于激光一种物理过程称之为电光调制。

激光通过加有电场晶体，使一种随时间变化电信号转变成光信号。

虽然传递（电）信息通过光波强度、相位变化体现出来。

b.声光调制：

运用声电效应将信息加载于激光一种物理过程称之为声光调制。

调制信号是以电信号（调辐）形式作用于电声换能器上而转化为以电信号形式变化超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息强度调制波。

c.磁光调制：

运用磁光效应把欲传递信息转换成光载波强度（振幅）等参量随时间变化。

与电光调制、声光调制所不同是，磁光调制是将电信号先转换成与之相应交变磁场，由磁光效应变化在介质中传播光波偏振态，从而达到变化光强度等参量目

d.直接调制：

是把要传递信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管LD或半导体二极管LED），从而获得已调制信号。

由于它是在光源内部进行，因而又称为内调制，它是当前光纤通信系统普通使用实用化调制办法。

e.空间光调制器：

可以形成随xy坐标变化振幅（或强度）透过率[A（x,y）＝A0T（x,y）]或者是形成随坐标变化相位分布[A（x,y）＝A0Texp[iθ（x,y）]]或者是形成随坐标变化不同散射状态。

顾名思义，这是一种对光波空间分布进行调制器件。

它英文名称是SpatialLightModulator（SLM）。

第2章作业（激光技术--蓝信鉅，103页）

1．阐明运用调Q技术获得高峰值功率巨脉冲原理，并简朴阐明调Q脉冲形成过程中各参量随时间变化。

答：

（1）运用调Q技术获得高峰值功率巨脉冲原理：

由于激光物质上能级最大粒子反转数受到激光器阈值限制，为使上能级积累大量粒子，就可以在激光器开始泵浦初期，设法将激光器阈值调很高，抑制激光振荡产生，使激光上能级反转粒子数大量积累，当粒子数达到最大时，然后突然调低阈值，这样，积累在上能级粒子便雪崩式跃迁到低能级，在极短时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高巨脉冲。

（2）脉冲形成过程中各参量随时间变化：

以腔内损耗突变时记为t＝0，在此之前只是准备了初始粒子数密度Δni，t=0时，泵浦功率将耗尽，粒子反转数Δn达到最大值Δni，受激光子数为零，即Φ=Φi=0，通过一段时间受激辐射占优势时，雪崩过程开始形成，Φ开始急剧增长，Δn开始剧减，这一过程始终持续到Δn=Δnt（阈值），此时腔内光子数达到最大值Φm。

光子在腔内寿命为tc，每个光子能量为hν，则激光峰值功率Pm=hνΦm/2tc。

（此题画出各参数随时间变化示意图然后分析各参数变化亦可）

3．有一带偏振棱镜电光调QYAG激光器，试回答或计算下列问题：

（1）画出调Q激光器构造示意图，并标出偏振镜偏振轴和电光晶体各主轴相对方向。

（2）如何调节偏振棱镜起偏方向和晶体相对位置才干得到抱负开关效果?

（3）计算l／4波长电压Vλ/4（l＝25mm，n0＝ne＝1.05，γ63=23.6×10-12‘’m／V）。

解：

（1）调Q激光器构造示意图

（2）欲使偏振器电光调Q器件得到抱负开关效果核心是必要严格使棱镜起偏方向与电光晶体x轴或y轴方向一致，这样才可以保证起偏方向与电光调制晶体感应主轴x’轴或y’轴方向成45度角。

在电光晶体加电压状况下，调节棱镜和晶体相对方位，直到激光不能振荡为止。

（3）两偏振光出射时相位差，

，令

得到

，

5．当频率fs=40MHz超声波在熔凝石英声光介质（n=1.54）中建立起超声场（vs=5.96×105cm/s）时，试计算波长为λ=1.06μm入射光满足布拉格条件入射角θ。

解：

依照布拉格方程有

因此：

6．一种声光调Q器件（L＝50mm，H＝5mm）是用熔融石英材料做成，用于持续YAG激光器调Q。

已知激光器单程增益为0．3，声光器件电声转换效率为40％，求

（1）声光器件驱动功率PS应为多大?

（2）声光器件要工作于布拉格衍射区，其声场频率应为多少?

解：

（1）声光介质用熔融石英MW＝1/106，YAG激光器波长为1.06微米，氦氖激光器波长为0.633微米。

声光介质中超声场尺寸H＝5mm，L=50mm，衍射效率为1时所需功率

单程增益为0.3，声光转换效率为40%时，声光器件驱动功率

（2）声光器件要工作于布拉格衍射区，其声场频率大小应当由判据来定，即L≥2L0。

而L0=λs2/λ=vs2/（fs2λ）;因此

fs≥21/2vs/（Lλ）1/2

≥21/2×5.96×105/（50×10-1×1.06×10-4）1/2

≥37MHz

第3章作业（激光技术--蓝信鉅，142页）

3．有一多纵模激光器纵模数是1千个，激光器腔长1．5m，输出平均功率为1w，以为各纵模振幅相等。

（1）试求在锁模状况下，光脉冲周期、宽度和峰值功率各是多少?

（2）采用声光损耗调制元件锁模时，调制器上加电压V（t）＝Vmcos（ωmt），试问电压频率是多大?

解：

（1）在锁模状况下，光脉冲周期

每个光脉冲宽度

光脉冲峰值功率是平均功率2N＋1倍，

（2）电压调制频率一半，与相邻纵模频率间隔相似时候可实现调制（以保证损耗变化频率与相邻纵模频率间隔相似），

4．有一掺钕钇铝石榴石激光器，振荡线宽（荧光谱线中能产生激光振荡范畴）△υosc=12×1010Hz，腔长L＝0．5m，试计算激光器参量；

（1）纵模频率间隔，

（2）△υosc内可容纳纵模数目；（3）假设各纵模振幅相等，求锁模后脉冲宽度和周期，（4）锁模脉冲及脉冲间隔占有空间距离。

解：

（1）纵模频率间隔

（2）△υosc内可容纳纵模数目，

（3）锁模后脉冲宽度

锁模后脉冲周期

（4）锁模脉冲占有空间距离

脉冲间隔占有空间距离

6．在谐振腔中部L／2处放置一损耗调制器，要获得锁模光脉冲，调制器损耗周期T应为多大?

每个脉冲能量与调制器放在紧靠端镜处状况有何差别?

答：

要获得锁模光脉冲，调制器损耗周期T应为L/c。

与调制器放在紧靠端镜处相比，每个脉冲能量约为本来1/2。

第4章作业（激光技术--蓝信鉅，169页）

1．比较激光荡器和放大器异同点。

答：

激光放大器与激光振荡器基于同一物理过程，即受激辐射光放大。

其重要区别是激光放大器（行波）没有谐振腔。

工作物质在光泵浦作用下，处在粒子数翻转状态，当从激光振荡器产生光脉冲信号通过它时，由于入射光频率与放大介质增益谱线相重叠，故激发态上粒子在外来信号作用下产生强烈受激辐射。

这种辐射叠加在外来光信号上而得到放大，因而放大器能输出一束比本来激光亮度高得多余射光束。

此外，为了得到共振放大，规定放大介质有足够翻转粒子数和与输入信号相匹配能级构造。

3．为什么放大器可以压窄脉冲宽度?

它与锁模压窄脉宽有什么区别?

答：

放大器可以压窄脉冲宽度原理：

以一矩形脉冲为例，当矩形脉冲通过放大器时，脉冲各部位获得增益不同，脉冲前沿具备最大增益，而脉冲背面某些部位增益则随着（t-L/c）增长而减小，在（t-L/c）等于矩形脉宽处增益最小。

在脉冲前沿部位，功率是按指数规律增长，而在后沿，增益趋向饱和。

成果就引起脉冲形状变尖，宽度变窄。

与锁模压窄脉宽区别：

锁模使各纵模相邻频率间隔相等即固定为c/2L，使这些各自独立纵模在时间上同步，它们之间相位有拟定关系。

各种纵模之间会发生功率耦合而不再独立，每个模功率是所有振荡模提供，导致输出一峰值功率高，脉冲宽度窄序列脉冲。

运用锁模压窄脉宽和运用放大器压窄脉宽原理不同，此外锁模技术运用将能量压缩在极短时间内释放，可获得极高峰值功率，能量不一定很大，而放大器得到激光既具备高功率又具备高能量。

5．一种YAG激光放大器，△N0＝6×1017cm-3，σ12＝5×10-23m2，对一矩形光脉冲放大，已知光束截面是0．5cm2，光子能量hυ＝1．86×10-19J，脉宽为10ns，能量为50mJ，若规定放大到200mJ，试求放大介质长度应为多少?

解：

已知

可得到初始光子流密度

又因能量放大系数

由公式

将各参数值带入上式，可得到

由上式可得，

L=0.07888m

第5章作业（激光技术--蓝信鉅，193页）

2．分析运用衍射损耗不同选基模（TEM00）原理。

答：

在激光器谐振腔中有若干个稳定振荡模，只要某个模单程增益不不大于它损耗，该模式就有也许被激发而起振。

谐振腔中有两种不同性质损耗，一种是与横模阶数无关损耗；另一种是与横模阶数密切有关衍射损耗，在稳定腔中，基模衍射损耗最小，随着横模阶数增高，其衍射损耗也逐渐增大。

谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗性能是实现横模选取物理基本，恰当选取菲涅尔数N值，使之满足

两式则可以实现单横模选取目。

考虑到模式间竞争，如果各模式增益相似，因基模衍射损耗最小，因而在模式竞增中将占优势。

一旦基模一方面建立振荡，就会从激活介质中提取能量，并且由于增益饱和效应，工作物质增益将随之减少，当满足条件

时，振荡趋于稳定。

此时其他横模将由于不再满足阈值条件被抑制掉，故激光器仍可以单横模运转。

为有效地选取横模，还必要考虑两个问题：

一是横模鉴别能力，即基横模与较高横模衍射损耗差别必要足够大，这样才干有效地把两个横模区别开。

此外，衍射损耗在模总损耗中必要占有重要地位，达到能与其他非选取性损耗相比拟限度。

4．钕玻璃激光工作物质，其荧光线宽△λD＝24.0nm，折射率n＝1.50，若用短腔法选单纵模，腔长应为多少?

解：

激光振荡也许纵模数重要由工作物质增益线宽和谐振腔纵模间隔决定。

如要形成单纵模振荡则满足

且

将

=24.0nm，n=1.50带入上式可得

L=1.5×10-5m

5．一台红宝石激光器，腔长L=500mm，震荡线宽

=2.4×1010Hz，在腔内插入F-P原则具选单纵模（n=1），试求它间隔d及平行平板反射率R。

解：

（1）如果是单纵模震荡，则在震荡线宽内只有一纵模，即原则具两透过率极大值间隔

因

，n=1

则

（2）在原则具自由光谱区，

而

因此，

又由于，

且

设

，由上2式

得

R=0.985

如果直接用

得到成果是R=0.924

7．为了抑制高阶横模，在一共焦腔反射镜处放置一种小孔光阑，若腔长L为1m，激光波长λ为632．8nm。

为了只让TEM00模振荡，小孔大小应为多少?

（普通小孔直径等于镜面上基模光斑尺寸3—4倍,即r/α=3或4）。

解：

对于此种谐振腔，规定rα/（λL）=3，

将r/α=3代入得：

r=[0.3×3λL]1/2=0.75nm

将r/α=4代入得：

r=[0.3×4λL]1/2=0.87nm

第6章作业（激光技术--蓝信鉅，217页）

1．比较兰姆凹陷稳频与反兰姆凹陷稳频异同点。

答：

兰姆凹陷稳频实质是：

以谱线中心频率υD作为参照原则，当激光振荡频率偏离υD时，即输出一误差信号→通过伺服系统鉴别出频率偏移大小和方向，输出始终流电压调节压电陶瓷伸缩来控制腔长→把激光振荡频率自动锁定在兰姆凹陷中心处。

下图示出了激光输出功率—频率曲线。

反兰姆凹陷

（a）增益管增益曲线（b）吸取管吸取曲线

（c）激光器输出功率曲线

兰姆凹陷

反兰姆凹陷稳频即在谐振腔中放入一种充有一种低压气体原子（或分子）吸取管，它有和激光振荡频率配合较好吸取线，并且由于吸取管气压很低，故碰撞加宽很小，可以忽视不计吸取线中心频率压力位移也很小。

吸取管普通没有放电作用，故谱线中心频率比较稳定。

吸取线在中心处凹陷，意味着吸取最小，故激光器输出功率（光强）在υ0处浮现一种尖峰，普通称为反兰姆凹陷，如上图所示，反兰姆凹陷可以作为一种较好稳频参照点。

兰姆凹陷稳频是运用激光自身原子跃迁中心频率作为参照点，而原子跃迁中心频率易受放电条件等影响而发生变化，因此其稳定性和复现性就受到局限。

反兰姆凹陷稳频是采用外界参照频率原则进行稳频，提高了频率稳定性和复现性，

2．分析稳频伺服电路中相敏检波器工作原理及其作用。

答：

选频放大器只是对某一特定频率f信号进行有选取性放大与输出。

相敏检波器作用是将选频放大后信号电压与参照信号（调制信号）电压进行相位比较得到一种直流电压，此电压大小与误差信号成正比，它正负取决于误差信号与调制信号相位关系，如果两者同相位，从相敏检波器输出一负直流电压，继而通过直流放大、调制升压与整流，馈送到压电陶瓷上，这电压使压电陶瓷环缩短，从而使腔长伸长，于是激光振荡频率又回到υ0处。

3．在He—Ne激光器中，Ne原子谱线宽度△υD＝1．5×109Hz，其谱线中心频率υ0＝4．7×1014Hz，如不采用稳频办法，这种激光器频率稳定度为多少?

解：

频率稳定度普通系指激光器在持续运转时，在一定观测时间τ内频率平均值与该时间内频率变化量Δυ之比

4．一台稳频CO2激光器，腔长采用环状压电陶瓷（PZT）调节，其长度L为1m，敏捷度m＝2．5×10-4μm/（V·cm），经测定压电陶瓷最大变化（即腔长最大调节范畴）△L为0．1μm。

为了使稳频系统能正常工作，需将误差信号放大到多少伏?

[提示：

m＝△L／（V．L）]

解：

因

则