光电信息综合实验复习范围.doc

光电信息综合实验复习范围一、试卷题型： 判断题（共10题，20分） 填空题（共10格，30分） 名词解释（共3题，24分） 简答计算题（共2题，26分）二、考试时间：（60分钟）2018年06月20日(第17周,星期三) 下午14:00-15:00 共计60分钟。三、复习范围：光电信息综合实验（一）复习范围：实验1 （包括引言） 激光器的构成；激光实验的观测方法；本课程所用激光器的特性。光学谐振腔、工作物质、激励系统；用眼睛直接观察（主观观察）、用光电探测器进行客观测量；氦氖激光器：功率一般约数毫瓦，连续发光。因为制造方便、较便宜、可靠，所以使用较多。由于单色性好，相干长度可达数十米以致数百米。半导体泵浦固体激光器：它具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点。补：常用的光电探测器有光电管、光敏电阻、光电池和CCD探测器等 泵浦耦合方式；端面泵浦耦合的方式；半导体泵浦固体激光器采用的泵浦方式。主要有端面泵浦和侧面泵浦；直接耦合和间接耦合（组合透镜系统耦合、自聚焦透镜耦合、光纤耦合）；间接耦合（组合透镜系统耦合） 课前预习题半导体固体激光器的特点；泵浦耦合方式有哪两种？直接耦合和间接耦合方式的区别；间接耦合常见的方式有哪几种？本实验如何进行压缩和耦合的？效率高、体积小、寿命长；端面泵浦和侧面泵浦；直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。间接耦合：指先将半导体激光器输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。；组合透镜系统耦合、自聚焦透镜耦合、光纤耦合；本实验先用光纤柱透镜对半导体激光器进行快轴准直，压缩发散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀有泵浦光的增透膜，耦合效率高。本实验的压缩和耦合如图 1.1所示。图 1.1 本实验LD光束快轴压缩耦合泵浦简图实验2 本实验使用的激光晶体是什么？具有哪些优点？其吸收光谱图有什么特点？（图2.1）以Nd3+离子部分取代Y3Al5O12晶体中Y3+离子的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）；具有量子效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等的优点；Nd:YAG在807.5nm处有一强吸收峰图 2.1 Nd:YAG晶体中Nd3+吸收光谱图 如何将指示激光调平？如实物照片（图2.2），将808nm半导体泵浦光源固定于谐振腔光路导轨座的右端，650nm指示激光器及调节架固定于导轨最左侧；将“小孔光阑”放在650nm激光右侧，调节指示激光器的二维平移旋钮，使650nm指示激光束打在输出镜中心，将“小孔光阑”移动到导轨的最右侧，调节指示激光器的二维俯仰旋钮，使650nm激光束仍然照射到“小孔光阑”中心，反复几次将指示激光调平。图2.2 指示激光器调节光路实物图 课前预习题激光晶体的概念；Nd:YAG的吸收光谱有什么特点？如何将指示激光调平可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光的晶体材料。是晶体激光器的工作物质；实验3 端面泵浦的激光谐振腔形式（图3.1）图 3.1 端面泵浦的激光谐振腔形式 激光晶体作为输入镜，一面镀什么膜？什么作为输出镜？一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜；镀输出激光一定透过率的凹面镜作为输出镜 如何才能容易获得基模输出？如图3.1所示，平凹腔中的g参数则表示为： 根据腔的稳定性条件，时腔为稳定腔。故当时腔稳定。同时容易算出其束腰位置在晶体的输入平面上，该处的光斑尺寸为：本实验中，R1为平面，R2=200mm，L=80mm。由此可以算出大小。所以，泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该，这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，就容易获得基模输出。 课前预习题复习1064nm固体激光出光的调试方法；谐振腔的最佳输出状态如何选取？改变输出镜的透过率，固体激光模式、激光出光功率、转换效率、阈值条件等会不会变化？ 改变腔长，以上各项会不会变化(1)如实物照片（图2.4），将1064nm的“激光输出镜”置于激光晶体左边，输出镜的镀膜面朝向激光晶体，中间预留出150mm160mm左右的距离，以备后面腔内还要插入其他器件。调节输出镜的二维俯仰旋钮，使其反射的650nm的指示激光束光点返回到指示激光出光口内，关闭指示激光。图2.4 激光输出镜调节光路实物图（2）将半导体泵浦光源的电源旋钮调节到1A，取出红外显示卡片放置到输出镜的左端并轻微晃动输出镜，使左侧卡片上显示出长条形光斑，微调输出镜的二维俯仰旋钮，使得长条形光斑慢慢内缩，固定输出镜，再微调二维俯仰旋钮，最后缩成一个圆形光斑。根据腔的稳定性条件，时腔为稳定腔。故当时腔稳定。；实验4 本实验采用的是什么倍频晶体？具有什么特点？其最佳相位匹配角是什么？KTP晶体；在1064nm光附近有高的有效非线性系数，导热性良好；最佳相位匹配角为：q=90，f=23.3，对应的有效非线性系数deff=7.3610-12V/m。 倍频技术有哪两种？分别具有什么特点？腔内倍频、腔外倍频；腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔之内，由于腔内具有较高的功率密度，因此较适合于连续运转的固体激光器。腔外倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外的倍频技术，较适合于脉冲运转的固体激光器。 常用调Q方法有哪些？本实验采用什么方法？优点是什么？常用的调Q方法有电光调Q、声光调Q和被动式可饱和吸收调Q；本实验采用的Cr4+:YAG是可饱和吸收调Q的一种；它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小的巨脉冲。 本实验用的是哪种调Q晶体？其被动调Q的工作原理是什么？（简述）Cr4+:YAG被动调Q的工作原理是：当Cr4+:YAG被放置在激光谐振腔内时，它的透过率会随着腔内的光强而改变。在激光振荡的初始阶段，Cr4+:YAG的透过率较低（初始透过率），随着泵浦作用增益介质的反转粒子数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔损耗时，反转粒子数达到最大值，此时可饱和吸收体的透过率仍为初始值。随着泵浦的进一步作用，腔内光子数不断增加，可饱和吸收体的透过率也逐渐变大，并最终达到饱和。此时，Cr4+:YAG的透过率突然增大，光子数密度迅速增加，激光振荡形成。腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后，由于反转粒子的减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr4+:YAG的透过率也开始减低。当光子数密度降到初始值时，Cr4+:YAG的透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束。 课前预习题常用的调Q方法有哪几种？Cr4+:YAG被动调Q的工作原理是什么？什么是倍频现象？常用的倍频晶体有哪些？倍频技术有哪两种？；光波电磁场与非磁性透明电介质相互作用时，光波电场会出现极化现象。当强光激光产生后，由此产生的介质极化已不再是与场强呈线性关系，而是明显的表现出二次及更高次的非线性效应。倍频现象就是二次非线性效应的一种特例；常用的倍频晶体有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等；实验5 介质增益和哪些因素有关？介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关 半外腔式激光器调出光的方法根据氦氖激光谐振腔调整与功率测量实验装配图5.2安装好所有的器件，然后打开电源开关。十字叉丝板功率计探头功率计氦氖半外腔激光器图5.2 氦氖激光谐振腔调整与功率测量实验图使用台灯照亮十字叉丝板，叉丝线朝向半外腔激光器。通过叉丝板中心小孔，目视氦氖激光器毛细腔。调整叉丝板小孔的位置，使得操作人可以目视到毛细管另一端腔片上的极亮斑，并将亮斑调整到毛细管中心。调整半外腔激光器后腔镜旋钮，此时操作人通过叉丝板小孔可以看见经照亮的十字叉丝板图案反射到半外腔激光器后腔镜表面上的像，调整后腔镜镜架旋钮，将叉丝像交点与毛细管内亮斑重合。反复调节，直至激光器发光。 课前预习题氦氖激光器由哪几部分构成？介质增益与哪些因素有关？激光振荡产生的条件是什么？内腔式氦氖激光器与外腔式氦氖激光器的区别是什么？氦氖激光器（简称He-Ne激光器）由光学谐振腔（输出镜与全反镜）、工作物质（密封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成；总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡；内腔式He-Ne激光器的腔镜封装在激光管两端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、输出镜及全反镜是安装在调节支架上的实验6 什么是多普勒增宽?(查激光原理书或百度之)实际上发光原子作无规热运动，运动的原子发出的光波产生多普勒频移，频移的大小依赖于原子运动速度沿观测方向的分量，趋近的原子发光频率增大，远离的原子发光频率减小；不同速度分量的原子发光频移大小不同。叠加的总效果造成谱线的多普勒增宽，其值与绝对温度的平方根成正比。通常多普勒增宽比自然宽度大23个量级。 激光谐振腔内形成持续振荡的条件是什么？ 形成持续振荡的条件是，光在谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍即 (6-1) 什么是纵模？纵模的特征？相邻纵模的频率间隔与什么有关？这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强。式中，是折射率，对气体，是腔长，是正整数，每一个对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫一个纵模，称作纵模序数。是一个很大的数，通常我们不需要知道它的数值。（纵模是指沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式）；纵模特征：相邻纵模频率间隔相等；对应同一横模的一组纵模，它们强度的顶点构成了多普勒线型的轮廓线。相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比。即，腔越长，纵越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反腔越短，纵越大 课后思考题 共焦球面扫描干涉仪可以用来观测什么？其结构如何？（图6.2）用眼睛和一般光谱仪器不能分辨的所有纵模、横模展现成频谱图图6-2 共焦球面扫描干涉仪原理结构图 共焦球面扫描干涉仪有哪两个性能参数？自由光谱范围、精细常数 如何将内腔式激光器调准直？将可变光阑靠近激光器，调激光器，远离调俯仰，靠近调左右，多次。 已知激光器的腔长，如何计算自由光谱区以及共焦腔的腔长？反之，已知共焦腔的腔长，如何计算相邻纵模的频率间隔以及激光器的等效腔长？ v=c/2Lvq=1c/2Lc/2L实验7 激光横模的定义及特征。这是因为光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次衍射。多次反复衍射，就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的迭加，图7-1是几种常见的基本横模光斑图样。图7-1 常见的基本横模光斑图样不同横模对应不同的频率，横模序数越大，频率越高。总之，任何一个模，既是纵模，又是横模。它同时有两个名称 相邻横模的频率间隔和相邻纵模的频率间隔的比值关系？相邻横模频率间隔为 (7-2)相邻的横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，如图7-2，分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定。腔长与曲率半径的比值越大，分数值越大。当腔长等于曲率半径时（LR1R2，即共焦腔），分数值达到极大，即相邻两个横模的横模间隔是纵模间隔的1/2，横模序数相差为2的谱线频率正好与纵模序数相差为1的谱线频率简并。图7-2 纵横模间隔示意图实验8 高斯光束的三个重要参数是什么？束腰半径的定义。、分别表示了高斯光束的光斑半径、等相面曲率半径、相位因子，是描述高斯光束的三个重要参数；定义为场振幅减小到最大值的的值，称为腰斑，它是高斯光束光斑半径的最小值 光斑半径随坐标的变化规律。光斑半径随坐标按双曲线 规律而向外扩展，如图8-1所示图8-1 高斯光束以及相关参数的定义 瑞利长度和远场发散角的定义。在光学，特别是激光学中，我们设鞍腰部（如图中所示的最低处）为A，其横截面面积为a，沿光的传播方向，当横截面面积因为散射达到2a时，我们设此处为B，瑞利长度或者瑞利射程正是指从A到B的长度（即图中所示ZR)。相关参数是共轭焦距，b，其长度是两倍的瑞利长度。当光波按高斯模型传播的时候，瑞利长度则显得非常重要。从高斯光束的等相位面半径以及光束半径的分布规律可以知道，在瑞利长度之外，高斯光束迅速发散，定义当 时高斯光束振幅减小到最大值1/e处与z轴夹角为高斯光束的远场发散角（半角） 对于给定腔长以及曲率半径的平凹腔激光器，如何计算高斯光束的束腰半径、瑞利长度以及远场发散角？ (8-2) (8-3) (8-4)高斯光束远场发散角的一般定义(上一题)为：当时，高斯光束振幅减小到中心最大值处与z轴的交角，即表示为 (8-7) （8-18） 束腰处以及发散角的特点。A高斯光束的发散角随传播距离的增大而非线性增大；B在束腰处，发散角为0；在无穷远，发散角最大C通常将 区域定义为光束准直区；D 越大，则远场发散角愈小。因此为了减小光束的远场发散角，可采用光学变换的方法，使其束腰增大。实验9 高斯光束通过薄透镜后的变换（图9.1）图9-1 高斯光束通过薄透镜的变换 满足什么条件时，可以用几何光学的方法粗略研究近轴高斯光束？当满足 条件时 像方高丝光速束腰位于透镜焦面处时，像方束腰半径的公式是什么？ 高斯光束的聚焦及准直的定义。高斯光束的聚焦，指的是通过适当的光学系统减小像方高斯光束的束腰半径，从而达到对其进行聚焦的目的。准直：即利用光学系统压缩高斯光束的远场发散角,提高能量和传输距离。 用薄透镜对高斯光束进行聚焦，当焦距一定时，像方束腰半径随物距的变化规律是什么？（图9.3）图9-3 F为定值时随l变化的规律 本实验中的所有结论！1当物方高斯光束束腰远离透镜时，距离l的增加以及焦距F的减小都会引起像方高斯光束束腰半径的减小，即聚焦效果的增强。2要获得尽可能好的聚焦效果，可以采取的方法有： a尽量采用短焦距的透镜； b使高斯光束束腰位置远离透镜的焦平面，满足条件 ； c使高斯光束束腰位置位于透镜上，即 ，并设法满足条件 。3可以用一个透镜先压缩高斯光束的束腰半径，再用一个长焦透镜压缩高斯光束的发散角。光电信息综合实验（二）复习范围：实验1 光电基础知识实验 对辐射度量与光度量等基本概念有具体认识 本实验所用的实验仪器有哪些？ 光辐射、可见光等相关概念的掌握 课后思考题实验2 光敏电阻的特性实验 外光电效应、内光电效应的区别 内光电效应又分为哪两种光电效应？这两种效应的具体含义及所对应的光电器件 光敏电阻的工作原理 光敏电阻的主要参数（重点掌握 亮电流、灵敏度、光谱特性、光照特性、伏安特性） 课后思考题实验3 光敏二极管的特性实验 光敏二极管的工