北工大光电子课程复习讲义

王XX整理1/11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：王XX整理2/111、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111232222120xnxxne636241514143210BEBEBBBB王XX整理3/11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、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=VuNILL=VuNIVVVVVVsssss其中],tSin[121)]tSin(Sin[121T])(2[sin]2[sin])(2[sin则：222236221ssssisPMHLIMLIvnPLII王XX整理4/11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）100010001cA1000010104LA王XX整理5/11Homework1：1.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：Gd。Dn达到最大值，增益达到最大，而d很大，阈值高，满足Gmaxd,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Gmaxd。然后使Gmaxd～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：ttttinnnnnln21max2max14titnnngAndtdgAnAnWndtndP212212ttnndtdnndtnd王XX整理6/111.PleasedescribetheQ-switchingprocessusingdouble-andsingle-polarizerdevices.请简述单双偏振器调Q过程。（双）第一阶段：V/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。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=0Q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=V/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/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.PleasecomparethetwoQ-switchingtechniquesusingPRMandPTM.请简述PTM和PRM调Q区别。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。效率：PTMPRMPRM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：PTMPRM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=40nmatFWHM.Thecavitylength（腔长）ofthislaseris1.87m.Thelaseroutputslaserpulsesatacenterwavelength王XX整理7/11of（中心波长）λ0=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,assumingthatalllongit