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）