北工大光电子课程复习讲义
北工大光电子课程复习讲义
概念题:
一、激光器三要素、受激吸收、受激辐射、自发辐射
二、电光效应、电光调制、折射率椭球、普克尔效应、克尔效应、半波电压、横向电光效应、纵向电光效应、声光效应、声光调制、布拉格衍射、声光光//磁光调制
三、各项同性晶体、各项异性晶体、对称操作、坐标变换
四、激光器的调Q技术、PRM 和PTM两种调Q技术的区别、可饱和吸收体被动调Q技术
五、锁模技术、可饱和吸收、用可饱和吸收体被动锁模脉冲的形成过程、被动锁模、脉冲宽度、频谱宽度、峰值功率
六、横模、单横模、单纵模、稳频技术、频率稳定性的定义、兰姆下陷、塞曼效应、兰姆下陷稳频原理
七、损耗、色散、单模光纤、多模光纤、单模输出条件、3dB带宽、材料色散、延迟时间、脉冲展宽
八、光纤激光器、增益光纤、双包层光纤、保偏光纤
九、非线性光学效应、倍频、和频、差频、相位匹配条件、角度相位匹配、走离效应、耦合波方程、正单轴晶体、负单轴晶体、一类相位匹配、二类相位匹配
简答题:
一、电光调制原理二、声光调制原理
三、调Q基本原理四、锁模基本原理
五、稳频原理六、选单模方法
七、光纤传输基本原理八、倍频基本原理
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
(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
63
62
41514143210γγγ=?=?=?=?=?=?B E B E B B B B
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,n 0=1.76, r 63 =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^-15 S^3.Kg^-1, 试求钼酸铅声光调制器的布拉格衍射效率。
P s 超声驱动功率、M 2是品质因数、L 长度、H 为换能器宽度、λ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。
θ=VBL =Vu
NI
L
L =VuNI
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)
??????????
-
--=100010001c A ?????
?????-=10
001
010
4L A
Homework 1:
1.Please illustrate the physical processes involved in the formation of relaxation oscillation in
solid-state lasers。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.In Q-switching, we have two approaches to achieve energy storage: by the gain medium and
by photons in the cavity. Please describe their principles and differences.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 先使反转粒子数达到最大值,但满足Gmax 3. Please show that the maximum number of photons in the cavity of a Q-switched laser can be expressed as : which can be approximated as: 解: 两式相除: 第二问:? Homework 2: 1. Please describe the Q-switching process using double- and single-polarizer devices.请简述单 双偏振器调Q 过程。 (双)第一阶段: V λ/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nmax 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=V l/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。相当于腔内光子的损耗很大,Q 值很低,处于“关门”状态。 第二阶段:V=0 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. Please describe the principles for Q-switching using a single tetragonal prism of electro-optical modulation crystal with double 45o vertex angles.请简述单块双45°电光调Q 原理。 Vx=0,LN 处于开启状态。 V= V λ/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= V λ/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。 第二阶段:V=0,Q 增加到Qmax ,反转粒子数减小到阈值,输出巨脉冲。 3. Please compare the two Q-switching techniques using PRM and PTM.请简述PTM 和PRM 调 Q 区别。 ??? ??? ???? ?????+?-?=t t t t i n n n n n ln 21max φ2 max 14 ???? ??-???≈t i t n n n φφδφφ???? ??-?=?--=?g A n dt d g A n A n W n dt n d P 2122δφφδφ???? ??-??=??-=?12t t n n dt d n n dt n d 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>PRM PRM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 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。 Homework 3: 1. The oscillation linewidth(震荡线宽)of a mode-locked laser is ?λ=40 nm at FWHM. The cavity length(腔长)of this laser is 1.87 m. The laser outputs laser pulses at a center wavelength of (中心波长)λ0=800 nm with an average power(平均功率)of 1 W. (1) Please calculate the period of the output pulse train(脉冲序列周期), the pulse width(脉冲宽度)and the peak power of a single pulse(单脉冲峰值功率). (2) Using active mode-locking by acouto-optical modulation and assuming the modulation of the electric field applied o, please find the value of w m. (Hint: for Gaussian pulses the product between the pulse width and frequency bandwidth is a constant of 0.441) 2. The output pulse intensity of a mode-locked laser can be expressed as: Where E0 denotes the amplitude of the electric field of each locked longitudinal mode, assuming that all longitudinal modes have equal amplitudes, N is the number of locked modes, Df and Dw are the frequency- and phase-difference between each two adjacent modes, respectively. The variation of the pulse intensity with time is depicted in the figure with t p denote the pulse width, L denote the cavity length, and c denote the velocity of light in vacuum. Please show that the pulse width can be evaluated by: t p=2L/Nc 3.Please describe the formation process of the ultrashort pulses in passive mode-locking using saturable absorbers(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?答案: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?答案: 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I 1(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=k 2w -k w =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? 解:当变化1度时, 电光效应: C T n n e 050/101.1/)(-?-=?-?5 0101.1)(-?-=-?e n n 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。 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。 纵向电光效应: ,当 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: 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: 4 /λV 实质:以谱线中心频率v 0作为参考标准,当激光震荡频率偏离v 0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。 模色散: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。 (书上为倒数形式) 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. 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。 4. 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。 5. 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。 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)