激光技術(shù)--藍(lán)信巨答案講解

1、第一章作業(yè)（激光技術(shù)-藍(lán)信鉅,66頁(yè)答案2. 在電光調(diào)制器中，為了得到線性調(diào)制，在調(diào)制器中插入一個(gè)1/4波片,（1它的軸 向應(yīng)如何設(shè)置為佳？（2若旋轉(zhuǎn)1/4波片，它所提供的直流偏置有何變化？答：（1 .其快、慢軸與晶體主軸x軸成450角（即快、慢軸分別與x?、y?軸平 行。此時(shí)，它所提供的直流偏置相當(dāng)于在電光晶體上附加了一個(gè)V 1/4的固定偏壓（Ex?和E y?的附加位相差為900 ;使得調(diào)制器在透過(guò)率T=50%的工作點(diǎn)上。（2 .若旋轉(zhuǎn)1/4波片,會(huì)導(dǎo)致E x?和E y?的附加位相差不再是900;因而它所提 供的直流偏置也不再是V 1/4。當(dāng)然調(diào)制器的工作點(diǎn)也偏離了透過(guò)率T=50%的位置。3

2、. 為了降低電光調(diào)制器的半波電壓,采用4塊z切割的KDP晶體連接（光路串 聯(lián)、電路并聯(lián) 成縱向串聯(lián)式結(jié)構(gòu)。試問(wèn):（1為了使4塊晶體的電光效應(yīng)逐塊疊加， 各晶體的x和y軸取向應(yīng)如何 ？ （2若 入=0.628卩m。=1.51, 丫 63=23.6 X 112m /V ,計(jì)算其半波電壓，并與單塊晶體調(diào)制器比較之。解：（1為了使晶體對(duì)入射的偏振光的兩個(gè)分量的相位延遲皆有相同的符號(hào)，則把晶體x和y軸逐塊旋轉(zhuǎn)90安置，z軸方向一致（如下圖，（2.四塊晶體疊加后，每塊晶體的電壓為：V966106. 2351. 1210628. 0412n 41V 41V 123-6633022=?=? =- 丫入而單塊晶

3、體得半波電壓為：V3864106. 2351. 1210628. 02n V 123-663302=?=- 丫入與前者相差4倍。4. 試設(shè)計(jì)一種實(shí)驗(yàn)裝置，如何檢驗(yàn)出入射光的偏振態(tài)（線偏光、橢圓偏光和自然 光，并指出是根據(jù)什么現(xiàn) 象？如果一個(gè)縱向電光調(diào)制器沒(méi)有起偏器，入射的自然光能 否得到光強(qiáng)調(diào)制？為什么？解：（1實(shí)驗(yàn)裝置:偏振片和白色屏幕。a. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片一周，假如有兩次消光現(xiàn)象，則為 線偏振光。b. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片一周，假如光強(qiáng)有兩次強(qiáng)弱變化 （但無(wú)消光現(xiàn)象發(fā) 生；則為橢圓偏振光。c. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片一周，假如

4、光強(qiáng)沒(méi)有變化；則為自 然光（或圓偏振光。區(qū)分二者也不難，只需在偏振片前放置一個(gè)四分之一波片（可使 圓偏振光變?yōu)榫€偏振光，可出現(xiàn)a的現(xiàn)象即可。（這里自然光卻不能變成線偏振光（2自然光得不到調(diào)制。原因是自然光沒(méi)有固定的偏振方向，當(dāng)它通過(guò)電光晶體后沒(méi)有固定的位相差；因而不能進(jìn)行調(diào)制。第一章補(bǔ)充作業(yè)：a. 電光調(diào)制:利用光電效應(yīng)將信息加載于激光的一種物理過(guò)程稱(chēng)之為電光調(diào) 制。激光通過(guò)加有電場(chǎng)的晶體，使一個(gè)隨時(shí)間變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)。即使傳遞的（電信息通過(guò)光波的強(qiáng)度、相位變化體現(xiàn)出來(lái)。b. 聲光調(diào)制：利用聲電效應(yīng)將信息加載于激光的一種物理過(guò)程稱(chēng)之為聲光調(diào)制。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)輻形式作用于電聲換能

5、器上而轉(zhuǎn)化為以電信號(hào)形式 變化的超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。c. 磁光調(diào)制:利用磁光效應(yīng)把欲傳遞的信息轉(zhuǎn)換成光載波的強(qiáng)度(振幅等參量隨時(shí)間的變化。與電光調(diào)制、聲光調(diào)制所不同的是，磁光調(diào)制是將電信號(hào)先轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的交變磁場(chǎng)，由磁光效應(yīng)改變 在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達(dá)到改變 光強(qiáng)度等參量的目的d. 直接調(diào)制：是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入半導(dǎo)體光源(激光二極管LD或半導(dǎo)體二極管LED ,從而獲得已調(diào)制信號(hào)。由于它是在光源內(nèi)部進(jìn)行的，因此又稱(chēng)為內(nèi)調(diào)制，它是目前光纖通信 系統(tǒng)普通使用的實(shí)用化調(diào)制方法。e. 空間光調(diào)制器:可以形

6、成隨xy坐標(biāo)變化的振幅(或強(qiáng)度透過(guò)率A (x , y =A0T (x , y 或者是形成隨坐標(biāo)變化的 相位分布A (x , y =A OTexp i9或者是形成隨坐標(biāo)變化的不同的散射狀態(tài)。顧名思 義,這是一種對(duì)光波的空間分布進(jìn)行調(diào) 制的器件。它的英文名稱(chēng)是 Spatial Light Modulator(SLM。第2章作業(yè)(激光技術(shù)-藍(lán)信鉅，103頁(yè)1.說(shuō)明利用調(diào)Q技術(shù)獲得高峰值功率巨脈沖的原理，并簡(jiǎn)單說(shuō)明調(diào)Q脈沖形成 過(guò)程中各參量隨時(shí)間的變化。答:(1利用調(diào)Q技術(shù)獲得高峰值功率巨脈沖的原理：因?yàn)榧す馕镔|(zhì)上能級(jí)最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制，為使上能級(jí)積累 大量的粒 子，就可以在激光器開(kāi)始

7、泵浦初期，設(shè)法將激光器的閾值調(diào)的很高，抑制激光 振蕩的產(chǎn)生，使激光上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累，當(dāng)粒子數(shù)達(dá)到最大時(shí)，然后突然調(diào) 低閾值，這樣,積累在上能級(jí)的粒子便雪崩式的躍遷到低能級(jí)，在極短的時(shí)間內(nèi)將能 量釋放出來(lái)，就獲得峰值功率極 高的巨脈沖。(2脈沖形成過(guò)程中各參量隨時(shí)間的變化：以腔內(nèi)損耗突變時(shí)記為t =0,在此之前只是準(zhǔn)備了初始粒子數(shù)密度 n i , t=0時(shí),泵浦功率 將耗盡，粒子反轉(zhuǎn)數(shù) n達(dá)到最大值 n i受激光子數(shù)為零，即二i =0經(jīng)過(guò) 一段時(shí)間受激輻 射占優(yōu)勢(shì)時(shí),雪崩過(guò)程開(kāi)始形成，研始急劇增長(zhǎng)，開(kāi)始劇減，這 一過(guò)程一直持續(xù)到 n=A n t閾值，此時(shí)腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到最大值 m。光子在

8、腔內(nèi) 的壽命為t c ,每個(gè)光子的能量為h v則激光的峰值功率P m =h vm /2tc (此題畫(huà) 出各參數(shù)隨時(shí)間變化示意圖然后分析各參數(shù)變化亦可3. 有一帶偏振棱鏡的電光調(diào) Q YAG激光器，試回答或計(jì)算下列問(wèn)題：(1畫(huà)出調(diào)Q激光器的結(jié)構(gòu)示意圖，并標(biāo)出偏振鏡的偏振軸和電光晶體各主軸的 相對(duì)方向。(2怎樣調(diào)整偏振棱鏡的起偏方向和晶體的相對(duì)位置才能得到理想的開(kāi)關(guān)效果？(3計(jì)算 I /4 波長(zhǎng)電壓 V 入 /4 (I =25mm , n 0=n e =1.05,3.6 濟(jì)0B3=2?m /V。(2欲使偏振器的電光調(diào)Q器件得到理想開(kāi)關(guān)效果的關(guān)鍵是必須嚴(yán)格使棱鏡的 起偏方向與 電光晶體的x軸或y軸方

9、向一致，這樣才可以保證起偏方向與電光調(diào)制晶體的感應(yīng)主軸x ?軸或y ?軸方向成45度角。在電光晶體加電壓的情況下，調(diào)節(jié) 棱鏡和晶體的相對(duì)方位，直到激光不 能振蕩為止。(3兩偏振光出射時(shí)的相位差，V n 63302 丫入 n =?令 2/ n 得到 4/ 入 V ,(V n V 3123663304/1069987. 9106. 2305. 141006. 1? =?=- 丫入入5當(dāng)頻率f s =40MHz的超聲波在熔凝石英聲光介質(zhì)(n=1.54中建立起超聲場(chǎng)(vs =5.96 X05cm/s時(shí),試計(jì)算波長(zhǎng)為 入=1.06卩的入射光滿(mǎn)足布拉格條件的入射角B。解:根據(jù)布拉格方程有00231.0/1

10、040/1096. 554. 121006. 122sin 654=?=-s s cm cm f nv n s s s B入入入 B所以:0132. 0=B96.個(gè)聲光調(diào)Q器件(L=50mm , H =5mm是用熔融石英材料做成，用于連續(xù) YAG激光器調(diào)Q。已知激光器的單程增益為0. 3,聲光器件的電聲轉(zhuǎn)換效率為40%, 求(1聲光器件的驅(qū)動(dòng)功率P S應(yīng)為多大？透反鏡全反鏡氙燈電光晶體偏振器偏振鏡的偏振軸和電光晶體各主軸的相對(duì)方向(2聲光器件要工作于布拉格衍射區(qū)，其聲場(chǎng)頻率應(yīng)為多少？解:(1聲光介質(zhì)用熔融石英 M W =1/106, YAG激光器的波長(zhǎng)為1.06微米，氦氖 激光器的波長(zhǎng)為0.6

11、33微米。聲光介質(zhì)中超聲場(chǎng)的尺寸 H =5mm , L=50mm,衍射效率為1 時(shí)所需的功率(W M L H P r w s 4. 37126. 12=?=入單程增益為 0.3,聲光轉(zhuǎn)換效率為40%時(shí)，聲光器件的驅(qū)動(dòng)功率(W P 05. 284. 03. 04. 37=?=(2聲光器件要工作于布拉格衍射區(qū)，其聲場(chǎng)頻率的大小應(yīng)該由判據(jù)來(lái)定，即L 2L 0。而 L 0=入 s 2/ 入=vs 2/(fs 2所以;f s 21/2v s /(L 入 1/2 21/2 X 51505/(50 10-1 X.06 X0-4 1/2 37MHz第3章作業(yè)(激光技術(shù)-藍(lán)信鉅，142頁(yè)3.有一多縱模激光器縱模

12、數(shù)是1千個(gè),激光器的腔長(zhǎng)1.5m，輸出的平均功率為 1w，認(rèn)為各縱模振幅相等。(1試求在鎖模情況下，光脈沖的周期、寬度和峰值功率各是多少？(2采用聲光損耗調(diào)制元件鎖模時(shí)，調(diào)制器上加電壓V(t=V m cos( 3 m試問(wèn)電壓 的頻率是多大？解:(1在鎖模情況下，光脈沖的周期(1011035. 12288s c L T -? =?=每個(gè)光脈沖的寬度 11811121.5110( 211000310q s N -T?u=? +?光脈沖的峰值功率是平均功率的2N +1倍,max (21 100011000( P N W =+=?=(2電壓的調(diào)制頻率的一半，與相鄰縱模的頻率間隔相同的時(shí)候可實(shí)現(xiàn)調(diào)制(以

13、確 保損耗的變化頻率與相鄰縱模的頻率間隔相同，881014. 35.1210314. 3221221?=?=?=T m nw4. 有一摻釹釔鋁石榴石激光器，振蕩線寬(熒光譜線中能產(chǎn)生激光振蕩的范圍 U os=12沐010Hz，腔長(zhǎng)L =0. 5m，試計(jì)算激光器的參量；(1縱模頻率間隔,(2 u osc 內(nèi)可容納縱模的數(shù)目；(3假設(shè)各縱模振 幅相等,求鎖模后脈沖的寬度和周期，(4鎖模 脈沖及脈沖間隔占有的空間距離。解:(1縱模頻率間隔(1035. 02103288Hz L c q? =? =? u(2 u oS內(nèi)可容納縱模的數(shù)目，1081210 400310osc q N u?U?二？ (3鎖模

14、后脈沖的寬度12811118.310( 21400310q s N t-U=? +?鎖模后脈沖的周期(103. 31035. 02298s c L T ? =?=(4 鎖模脈沖占有的空間距離 31220.52.510( (21 400c L d c m N c -? =?= t=? +脈沖間隔占有的空間距離 （15. 0221m c L ccT d =?=6.在諧振腔中部L /2處放置一損耗調(diào)制器，要獲得鎖模光脈沖，調(diào)制器的損耗周 期T應(yīng)為多大？每個(gè)脈沖的能量與調(diào)制器放在緊靠端鏡處的情況有何差別？答:要獲得鎖模光脈沖，調(diào)制器的損耗周期T應(yīng)為L(zhǎng)/C。與調(diào)制器放在緊靠端鏡處相比，每個(gè)脈沖的能量約為

15、原來(lái)的1/2。第4章作業(yè)（激光技術(shù)-藍(lán)信鉅，169頁(yè)1.比較激光蕩器和放大器的異同點(diǎn)。答:激光放大器與激光振蕩器基于同一物理過(guò)程，即受激輻射的光放大。其主要 區(qū)別是激光放大器（行波沒(méi)有諧振腔。工作物質(zhì)在光泵浦的作用下，處于粒子數(shù)翻轉(zhuǎn) 狀態(tài)，當(dāng)從激光振蕩器產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)通過(guò) 它時(shí)，由于入射光頻率與放大介質(zhì)的增 益譜線相重合，故激發(fā)態(tài)上的粒子在外來(lái)信號(hào)的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的受激輻射。這種輻射疊加在外來(lái)光信號(hào)上而得到放大，因而放大器能輸出一束比原來(lái)激光亮度高得 多的出射光束。另外,為了得到共振放大，要求放大介質(zhì)有足夠的翻轉(zhuǎn)粒子數(shù)和與輸 入信號(hào)相匹配的能級(jí)結(jié)構(gòu)。3.為什么放大器可以壓窄脈沖寬度 ？它與鎖

16、模壓窄脈寬有什么區(qū)別 ？答:放大器可以壓窄脈沖寬度的原理：以一矩形脈沖為例，當(dāng)矩形脈沖通過(guò)放大器 時(shí)，脈沖各部位獲得的 增益不同，脈沖的前沿具有最大的增益，而脈沖后面一些部位的 增益則隨著（t-L/c的增加而減小，在（t-L/c等于矩形脈寬處增益最小。在脈沖的前沿 部位，功率是按指數(shù)規(guī)律增加，而在后沿，增益趨向飽 和。結(jié)果就引起脈沖形狀變尖， 寬度變窄。與鎖模壓窄脈寬區(qū)別：鎖模使各縱模相鄰頻率間隔相等即固定為 C/2L,使這些各 自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步,它們之間的相位有確定的關(guān)系。多個(gè)縱模之間會(huì)發(fā)生 功率耦合而不再獨(dú)立，每個(gè)模的功率是所有振蕩 模提供的，導(dǎo)致輸出一峰值功率高，脈 沖寬度窄的序

17、列脈沖。利用鎖模壓窄脈寬和利用放大器壓窄脈寬的原理不同，另外鎖模技術(shù)利用將能 量壓縮在極短的時(shí)間內(nèi)釋放，可獲得極高的峰值功率，能量不一定很大,而放大器得到 的激光既具有高功率又具有高能量。5. 一個(gè) YAG 激光放大器, N 0=6 1017cm -3, c 12=5X -23m 2,對(duì)一矩形光脈 沖放大,已知光束截面是0. 5cm 2,光子能量h u =1.86 X-10J，脈寬為10ns能量為50mJ若要求放大到200mJ試 求放大介質(zhì)的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？解:已知 233192232842012610, 510510, 10, 0.510n m cm m s s m - ct=? =? =?

18、=?可得到初始光子流密度10F初h s 450 10 35.376 1029161019 0.5 10 410 X又因能量放大系數(shù)GT 卩放大E初由公式GE121210 In 1e2 12101e 12n() L將各參數(shù)值帶入上式，可得到 42 5 10 2323 298 23 23 11e2 5105J76 10 101 e5 10 610 Lln29 853761010由上式可得，L=0.07888m第5章作業(yè)（激光技術(shù)-藍(lán)信鉅，193頁(yè)）2分析利用衍射損耗的不同選基模（TEM00的原理。答：在激光器的諧振腔 中有若干個(gè)穩(wěn)定的振蕩模，只要某個(gè)模的單程增益大于它的損耗，該模式就有可能 被激發(fā)

19、而起振。諧振腔中有兩種不同性質(zhì)的損耗，一種是與橫模階數(shù)無(wú)關(guān)的損耗； 另一種是與橫模階數(shù)密 切相關(guān)的衍射損耗，在穩(wěn)定腔中，基模的衍射損耗最小， 隨著橫模階數(shù)的增高，其衍射損耗也逐漸增大。諧振腔對(duì)不同階的橫模有不同的衍射損耗的性能是實(shí)現(xiàn)橫模選擇的物理基礎(chǔ)，適當(dāng)選擇菲涅爾數(shù)N的值，使之滿(mǎn)足r1 r? (100 cp(GL 1T1門(mén)(110 cxp(GL 1兩式則可以實(shí)現(xiàn)單橫模選擇的目的?？紤]到模式間的競(jìng)爭(zhēng)，如果各模式的增益相同，因基模的衍射損耗 最小，因而在模式競(jìng)增中將占優(yōu)勢(shì)。一旦基模首先建立振蕩，就會(huì)從激活介質(zhì)中提取能量，而且由于增益飽和效應(yīng)，工作物質(zhì)的增益將隨之降低，當(dāng)滿(mǎn)足條件時(shí)，振蕩趨于穩(wěn)定。

20、此時(shí)其它橫模將因?yàn)椴辉贊M(mǎn)足閾值條件被抑制掉，故激光 器 仍可以單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。為有效地選擇橫模，還必須考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是橫模的鑒別 能力，即基橫模與較高橫模的衍射損耗的差別必須足夠大，這樣才能有效地把兩 個(gè)橫模區(qū)分開(kāi)。另外，衍射損耗在模的總損耗中必須占有重要地位，達(dá)到能與其它非選擇性損耗相比擬的程度。4 釹玻璃激光工作物質(zhì)，其熒光線寬 入924.0nm,折射率n= 1.50,若用短腔法選單縱模，腔長(zhǎng)應(yīng)為多 少?解：激光振蕩的 可能縱模數(shù)主要由工作物質(zhì)的增益線寬和諧振腔的縱模間隔決定。如要形成單縱模振蕩則滿(mǎn)足OOcxp(GL 1 q 將 D =24.0 nm，n=1.50帶入上式可得-5 L=1.5

21、 10 m 5. 一臺(tái)紅寶石激光器， 腔長(zhǎng)L=500 mm，震蕩線寬vD=214x1010Hz，在腔內(nèi)插入F-P標(biāo)準(zhǔn)具選單縱模(n=1)，試求它的間隔d 及平行平板的反射率R。解：(1)如果是單縱模震蕩，則在震蕩線寬內(nèi)只有一縱模，即標(biāo)準(zhǔn)具兩透過(guò)率的極大值間隔Dc 2nL 且d1 cD/ 2 vmV因 mi 0 2nd，n=1 則 dc3 1086.2510 3111 10211vD212.410 (2)在標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜區(qū)，vni FM F 2vq而 z c2nL所以，F(xiàn)vmv m v D 2*4101040 cVt2 vq 310 8 2 211L0.5 又因?yàn)椋?112 22FFi Fp

22、且R1 R 設(shè) fP 刃，由上2式得R=0.985如果直接用F R 1 R 40得到的結(jié)果是R=0.924 7.為了抑制高階橫模，在一共焦腔的反射鏡處放置一個(gè)小孔光闌，若腔長(zhǎng)L為1m，激光波長(zhǎng)入為632. 8nm。為了只讓TEM00模振蕩，小孔的大小應(yīng) 為多少？(一般小孔直徑等于鏡面上基模光斑尺寸的 3 4倍，即r/ a =或4。解：對(duì) 于此種諧振腔，要求r a /(入L=3將r/ a =代入得：r = 0.3 x 3入L1/2 = 0.75細(xì) r/ a =代入得：r = 0.3 x 4入L1/2 =0.8肺m章作業(yè)(激光技術(shù)-藍(lán)信鉅，217頁(yè)）1.比較蘭姆凹陷穩(wěn)頻與反蘭姆凹陷穩(wěn)頻的異同點(diǎn)。答：蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)是：以譜線的中心頻率u D乍為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光振蕩頻率偏離 u D寸，即輸出 一誤差信號(hào)T通過(guò)伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏移的大小和方向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié) 壓電陶瓷的伸縮來(lái)控制腔長(zhǎng) 一把激光振蕩頻率自動(dòng)的鎖定在蘭姆凹陷中心處。下 圖示出了激光輸出功率一頻率曲線。反蘭姆凹陷（a增益管增益曲線（b吸收管吸收曲線（c激光器輸出功率曲線 蘭姆 凹陷反蘭姆凹陷穩(wěn)頻即在諧振腔中放入一個(gè)充有一個(gè)低壓氣體原子（或分子）的 吸收管，它有和激光振蕩頻率 配合很好的吸收線，而且由于吸收管氣壓很低，故 碰撞加寬很小，可以忽略不計(jì)吸收線中心頻率的壓力位移也很小。吸收管