北工大光电子课程复习讲义

1、王XX整理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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、，M2=36.3*10-15 S3.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、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。=VBL=VuNILL=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

7、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） 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。

8、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

9、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<d。Dn达到最大值，增益达到最大，而d很大，阈值高，满足Gmax<d,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Gmax<d。然后使Gmax<d产生激光又以光子的形式贮存在腔内。3. Please show

10、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：；之后积分得光子数最大值。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： Vl/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。

11、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Dnmax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

12、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. Please describe the principles for Q-switching using a single tetragonal prism of electro-optical modulation crystal with double 45o vertex angl

13、es.请简述单块双45°电光调Q原理。Vx=0，LN处于开启状态。V= Vl/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= Vl/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。 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。 输出方

14、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： 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。脉冲宽度：PTM<PRM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 Dl=40 nm at FWHM. The cavity length（腔长） of this laser is 1.87 m. The laser outputs laser pulses

15、at a center wavelength of （中心波长）0=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 o

16、f the electric field applied o, please find the value of wm.(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:锁模激光脉冲强度Where E0 denotes the amplitude of the electric fi

17、eld 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

18、 with tp 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: tp=2L/Nc3.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

19、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

20、：（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：色散棱镜法：在腔内插入色散棱镜光栅法：光栅可代替棱镜(3)F-P标准具法复合腔法；环形行波腔；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：1.56×10-5m3. 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FP腔选单纵模，FP腔的腔长为多少？答案：23.4m第六

21、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I1(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=k2w-kw=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

22、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: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（k

23、err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，称为半波电压。横向电光效应：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2q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