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1、激光技术 习题,长春理工大学 电子科学与技术系,绪论 小结,什么是激光？激光的英文表达形式及缩写分别是什么？激光具备哪些特点？根据这些特点可以实现哪些应用？试列举出3个。世界上第一台激光器是什么激光器？输出波长是多少？学习本课程的方法和意义是什么？你喜欢什么样的讲授方式？对课堂教学有什么要求和期望？,第1章 激光调制与偏转技术,1.1 调制的基本概念1.2 电光调制1.3 声光调制,1.1.1 振幅调制1.1.2 频率调制和相位调制1.1.3 强度调制1.1.4 脉冲调制1.1.5 脉冲编码调制,1.2.1 电光调制的物理基础1.2.2 电光强度调制1.2.3 电光相位调制1.2.7 设计电光
2、调制器应考虑的问题,1.3.1 声光调制的物理基础1.3.2 声光互作用的两种类型1.3.3 声光体调制器1.3.6 设计声光调制器应考虑的事项,调制的基本概念 小结,什么是调制？什么是激光调制？如何进行激光调制？根据调制的性质，可将调制分为哪几类？试以振幅调制为例，分析 情况下的调制系数和调幅波的频谱情况。什么是脉冲调制？脉冲调制的类型包括哪些？,电光调制 小结,电光调制的物理基础是什么？什么是泡克尔斯效应？什么是克尔效应？什么是纵向电光调制？什么是横向电光调制？二者各自的特点是什么？ 为了降低电光调制器的半波电压，采用4块z切割的KDP晶体连接(光路串联、电路并联)成纵向串联式结构。试问，
3、(1)为了使4块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的x和y轴取向应如何？(2)若波长为628nm，no=1.51，63=23.6*10-12m/V，计算其半波电压，并与单块晶体调制器进行比较。试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态(线偏振光、椭圆偏振光、自然光)，并指出是根据什么现象？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？,答案：,(1) 为了使晶体对入射的偏振光的两个分量的相位延迟皆有相同的符号，则把晶体x和y轴逐块旋转90度安置，z轴方向一致（如下图）， (2)四块晶体叠加后，每块晶体的电压为： 而单块晶体的半波电压为： 与前者相差4倍。,答案：,(1)
4、 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，假如有两次消光现象，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，假如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，假如光强没有变化；则为自然光或圆偏振光。再在偏振片前放置一个1/4波片，如果其为圆偏振光，则会变为线偏振光，转动偏振片一周，就可出现a的现象；若不出现a现象，则说明其为自然光。 (2) 自然光得不到调制。原因是自然光没有固定的偏振方向，当它通过电光晶体后没有固定的位相差；因而不能进行调制。,声光调制 小结,声光调制
5、的物理基础是什么？声光互作用的两种类型是什么？各自具有怎样的特点？设光波波长为500nm，水的折射率n=1.33,声波频率为500MHz，声速为1.5km/s，试求解水中的声光布拉格衍射角度。一钼酸铅(PbMoO4)声光调制器，对He-Ne激光进行调制。已知声功率Ps=1W，声光互作用长度L=1.8m，换能器宽度H=0.8mm, M2=36.3*10-15s3/kg，试求钼酸铅声光调制器的布拉格衍射效率。设计声光调制器应该注意哪些问题？如何选择声光材料？,答案：,答案：,第2章 调Q（Q开关）技术,2.1 概述2.2 调Q激光器的基本理论2.3 电光调Q2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题2
6、.5 声光调Q2.6 被动式可饱和吸收调Q,2.1.1 脉冲固体激光器的输出特性2.1.2 调Q的基本原理2.1.3 实现调Q对激光器的基本要求,2.2.1 调Q的速率方程2.2.2 速率方程的求解,2.3.1 带偏振器的电光调Q器件2.3.3 脉冲透射式(PTM)调Q,2.4.1 调制晶体材料的选择2.4.3 对激光工作物质的要求,2.5.1 声光调Q的基本原理2.5.2 声光调Q器件的结构及设计,2.6.1 可饱和吸收染料的调Q原理2.6.3 染料调Q激光器及其输出特性,调Q激光器绪论部分 小结,试列举出3个调Q技术的应用。什么是驰豫振荡现象？说明利用调Q技术获得高峰值功率巨脉冲的原理，并
7、简单说明调Q脉冲形成过程中个参量随时间的变化。试根据下图所示的泵浦速率和腔损耗情况画出相应的腔内光子数变化和上能级粒子数的变化情况。实现调Q对激光器的要求是什么？,调Q激光器的基本理论 小结,有一红宝石阶跃式调Q激光器，棒长等于腔长L=10cm，截面积S=0.75cm2，Cr的浓度为N=1.58*1019cm-3，n=1.76，输出镜反射率R=0.5，内部散射损耗=0.01cm-1。已知反转粒子数ni=0.22N，阈值反转粒子数nt=0.1N，求调Q巨脉冲的峰值功率Pm，脉冲能量E和脉宽t。答案参见教科书例题。,电光调Q 小结,脉冲透射式(PTM)调Q具有什么优势？它与脉冲反射式(PRM)调Q
8、有何不同？试分析下图所示电光调Q激光器的工作过程。并计算当电光晶体l=25mm，no=ne=1.05，63=23.6*10-17m/V时，电光晶体上的1/4波长电压值。,答案：,工作过程参见课件或教材。两偏振光出射时的相位差为令 得到 为,声光调Q 小结,当频率fs=40MHz的超声波在熔融石英声光介质(n=1.54)中建立起超声场(vs=5.96*105cm/s)时，试计算波长为1.06m的入射光满足布拉格条件的入射角。一个声光调Q器件(L=50mm,H=5mm)是用熔融石英材料做成的，用于连续YAG激光器调Q。已知声光器件的电声转换效率为40%,求(1) 声光器件的驱动功率Ps应为多大？(
9、2) 声光器件要工作于布拉格衍射区，其声场频率应为多少？设计声光Q开关需要考虑哪些因素？,答案：,所以：,答案：,作为声光调Q器件，要求其衍射效率达100%，此时需要的声功率为：(注：Mw是材料与水的品质因数比值，为1/106。),若声光器件的电声转换效率为40%，则所需声光器件的驱动功率为(实际上为所需加的电功率)：,声光器件要工作于布拉格衍射区，其声场频率的大小应该由判据来定，即L 2L0。而L0=s2/=vs2/(fs2) 所以,第3章 超短脉冲技术,3.1 概述3.2 主动锁模3.3 被动锁模3.6 单一脉冲的选取与超短脉冲测量技术,3.1.1 多模激光器的输出特性3.1.2 锁模的基
10、本原理3.1.3 锁模的方法,3.2.1 振幅调制锁模3.2.3 主动锁模激光器的结构及其设计要点,3.3.1 固体激光器的被动锁模3.1.2 染料激光器的被动锁模,3.6.1 单一脉冲的选取3.6.2 超短脉冲的测量技术,概述 小结,什么是锁模技术？锁模激光器具有怎样的输出特性？锁模类型包括哪些？锁模的方法包括哪些？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的范围) osc=121010Hz，腔长L0.5m，试计算激光器的参量；(1)纵模频率间隔；(2) osc内可容纳纵模的数目；(3)假设各纵模振幅相等，求锁模后脉冲的宽度和周期；(4)锁模脉冲及脉冲间隔占有的空间距离。一
11、台锁模激光器，腔长L=1m，假设超过阈值的所有纵模被锁定。(1)若工作物质是红宝石，棒长l=10cm，n=1.76, g=0.5nm，=694.3nm。(2)若工作物质是钕玻璃，棒长l=10cm，n=1.83, g=28nm，=1.06m。 (3)若工作物质是He-Ne，棒长l=100cm，g=2pm，=632.8nm。分别求出输出的脉冲宽度、脉冲间隔和模式数。从计算的结果可以得出什么结论？,答案：,(1) 纵模频率间隔(2) osc内可容纳纵模的数目(3) 锁模后脉冲的宽度 锁模后脉冲的周期 (4) 锁模脉冲占有的空间距离 脉冲间隔占有的空间距离,答案：,(1) 谐振腔的光学腔长为谐振腔决定
12、的模式间隔为激光介质的增益线宽为则可以振荡的模式数输出的脉冲宽度输出的脉冲间隔,答案：,(2) 谐振腔的光学腔长为谐振腔决定的模式间隔为激光介质的增益线宽为则可以振荡的模式数输出的脉冲宽度输出的脉冲间隔,答案：,(3) 谐振腔的光学腔长为谐振腔决定的模式间隔为激光介质的增益线宽为则可以振荡的模式数输出的脉冲宽度输出的脉冲间隔,主动锁模 小结,什么是主动锁模？主动锁模可以分为那两类？主动锁模激光器的设计要点有哪些？在谐振腔中部L/2放置一损耗调制器，要获得锁模光脉冲，调制器的损耗周期T应为多大？每个脉冲的能量与调制器放在紧靠端面镜子处的情况有何差别？有一个多纵模激光器纵模数是1000个，激光器的
13、腔长为1.5m，输出的平均功率为1W，认为各纵模振幅相等。（1）试求在锁模情况下，光脉冲的周期、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(mt)，试问电压的频率是多大？,答案：,要获得锁模光脉冲，调制器的损耗周期T应为L/c。与调制器放在紧靠端镜处相比，每个脉冲的能量约为原来的1/2。,光束两次通过调制器的时间间隔为2L/c。腔内损耗变化的频率为c/2L。,光束两次通过调制器的时间间隔为L/c。腔内损耗变化的频率为c/L时才能实现锁模。,答案：,解: (1)在锁模情况下，光脉冲的周期每个光脉冲的宽度光脉冲的峰值功率是平均功率的2N1倍，(2)
14、电压的调制频率(调制信号的频率)为相邻纵模的频率间隔的1/2时可实现调制。（以确保损耗的变化频率与相邻纵模的频率间隔相同）,被动锁模 小结,什么是被动锁模？根据锁模形成过程的机理和特点可将被动锁模分为哪些类型？固体激光器的被动锁模主要可以分为哪几个阶段？染料调Q和染料锁模有何不同之处？,单一脉冲选取和超短脉冲测量 小结,单一脉冲选取的方式有哪些？超短脉冲测量的方法有哪些？它们各自具有怎样的特点？,第5章 模式选择技术,5.1 概述5.2 横模选择技术5.3 纵模选择技术5.4 模式测量方法,5.1.1 模式的基本概念,5.2.1 横模选择的方法,5.3.1 纵模选择原理5.3.2 纵模的选择方
15、法,5.4.1 直接观测法5.4.2 光点扫描法5.4.3 扫描干涉仪法5.4.4 F-P照相法,模式选择技术绪论部分 小结,说明选单模(横、纵)的意义和作用。M2参数的定义是什么？物理实质是什么？它的值代表什么含义？试画出方形镜共焦腔下TEM03模的光场强度分布试画出圆形镜共焦腔下TEM40模的光场强度分布试画出圆形镜共焦腔下TEM04模的光场强度分布,答案：,TEM03 TEM04 TEM40,沿半径方向有m个节线圆,沿辐角方向有n根节线,沿y方向有n根节线,横模选择技术 小结,横模的选择方法有哪几种？请简要回答，与稳腔相比，非稳腔选模具有哪些突出的优点？,纵模选择技术 小结,纵模的选择原
16、理是什么？纵模的选择方法有哪些？常用的选择单纵模的方法有短腔法和F-P标准具法，试比较二者的优缺点。钕玻璃激光工作物质(=1054nm)，其荧光线宽 D24.0nm，折射率n1.50，若用短腔法选单纵模，腔长应为多少? 一台红宝石激光器，腔长L=500 mm，振荡线宽=2.41010 Hz,在腔内插入F-P标准具（n=1）选单纵模，试求它的间隔d。 模式的测量方法有哪些？,答案：,激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽和谐振腔的纵模间隔决定。如要形成单纵模振荡则满足 由 知，腔长应为：,答案：,如果是单纵模振荡，则在振荡线宽内只有一纵模，即标准具两透过率的极大值间隔 因 ，n=1 则,第
17、6章 稳频技术,6.1 频率的稳定性和复现性6.2 兰姆凹陷6.4 饱和吸收稳频6.6 频率稳定性和复现性的测量,6.1.1 频率的稳定性和复现性6.1.2 影响激光频率稳定的因素6.1.3 激光器主动稳频的方法6.1.4 对参考标准频率的要求,6.2.1 兰姆凹陷6.2.2 兰姆凹陷稳频原理6.1.3 应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题,稳频技术 小结,什么是频率稳定度？什么是频率稳定度的量度？在He-Ne激光其中，Ne原子的谱线宽度D=1.5109Hz，其谱线中心频率0=4.7 1014Hz，如果不采用稳频措施，这种激光器的频率稳定度为多少？什么是频率的复现性？影响频率稳定性的外界因素主要有哪
18、些？稳频的原理是什么？主动稳频有哪些方法？鉴频器作为稳频的关键部件应具备哪些条件？请简述应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题。,答案：,这台激光器的频率稳定度为,稳频技术 小结,饱和吸收稳频法的稳定度和复现性都远远优于兰姆凹陷稳频法和塞曼效应稳频法。作为饱和吸收稳频激光器，其频率稳定度最终取决于吸收谱线的频率稳定性，谱线的宽度以及信噪比，基于此，请简要回答理想的吸收介质应具备哪些条件？比较兰姆凹陷稳频与反兰姆凹陷稳频的异同点。激光频率极高，欲直接测量频率的稳定度是很困难的。所以常利用拍频的方法进行测量，采用频率计对拍频的频率进行测量，其数据通常采用何种方法进行处理？,谢谢大家！,祝大家考试取得优异成绩！,祝大家前程似锦！,
