激光技術答案講解

1、考試時間：12月17日19:00 21:00考試地點：思源樓 411, 412,座位安排：學號 03211138-05231022 在 411 教室，0523114406292044 在 412 教室 第一章作業(yè)（激光技術-藍信鉅，66頁）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1 /4波片，（1）它的軸向應如何設置為佳 ？（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45°角（即快、慢軸分別與 x' y'軸平行）。此時，它所提供的直流偏置相當于在電光晶體上附加了一個V1/4的固定偏壓（Ex和Ey，的附加位

2、相差為 90°）；使得調(diào)制器在透過率T=50%的工作點上。（2）.若旋轉(zhuǎn)1 /4波片，會導致Ex和Ey，的附加位相差不再是 90°因而它所提供的直流偏置也 不再是V1/4。當然調(diào)制器的工作點也偏離了透過率T=50%的位置。3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)式結構。試問：（1）為了使4塊晶體的電光效應逐塊疊加，各晶體的x和y軸取向應如何？ （2）若入=0.628m, n。=1.51 , Y3= 23.6 XW12m/V，計算其半波電壓，并與單塊晶體調(diào)制器比較之。解：（1）為了使晶體對入射的偏振光的兩個分量的相位延遲皆

3、有相同的符號，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），x（2）.四塊晶體疊加后，每塊晶體的電壓為:11V V344 2n3220 631 0.628 10-6X 4 2 1.513 23.6 10一12=966 v而單塊晶體得半波電壓為:V.2n0 63-60.628 1063_122 1.513 23.6 10二 3864v與前者相差4倍。4 試設計一種實驗裝置，如何檢驗出入射光的偏振態(tài)（線偏光、橢圓偏光和自然光 ），并指出是根據(jù)什么現(xiàn)象？如果一個縱向電光調(diào)制器沒有起偏器，入射的自然光能否得到光強調(diào)制？為什么？解：（1）實驗裝置：偏振片和白色屏幕。a. 在光路上放置偏振片和

4、白色屏幕，轉(zhuǎn)動偏振片一周，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)動偏振片一周，假如光強有兩次強弱變化（但無消光現(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)動偏振片一周，假如光強沒有變化；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。原因是自然光沒有固定的偏振方向，當它通過電光晶體后沒有固定的位相差； 因而不能進行調(diào)制。第一章補充作業(yè)：a. 電光調(diào)制： 利用光電效應將信息加載于激光的一種物理過程稱之為電

5、光調(diào)制。 激光通過加有電場的晶體， 使一個隨時間變化的電信號轉(zhuǎn)變成光信號。即使傳遞的（電）信息通過光波的強度、相位變 化體現(xiàn)出來。b. 聲光調(diào)制： 利用聲電效應將信息加載于激光的一種物理過程稱之為聲光調(diào)制。 調(diào)制信號是以電信號 （調(diào)輻 ） 形式作用于電聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，當光波通過聲光介質(zhì)時，由 于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為 “攜帶 ”信息的強度調(diào)制波。c. 磁光調(diào)制：利用磁光效應把欲傳遞的信息轉(zhuǎn)換成光載波的強度（振幅 ）等參量隨時間的變化。與電光調(diào)制、聲光調(diào)制所不同的是，磁光調(diào)制是將電信號先轉(zhuǎn)換成與之對應的交變磁場，由磁光效應改變 在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從

6、而達到改變光強度等參量的目的d. 直接調(diào)制：是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷氚雽w光源（激光二極管 LD 或半導體二極管 LED） ，從而獲得已調(diào)制信號。由于它是在光源內(nèi)部進行的，因此又稱為內(nèi)調(diào)制，它是目前光纖通信 系統(tǒng)普通使用的實用化調(diào)制方法。e空間光調(diào)制器： 可以形成隨xy坐標變化的振幅（或強度）透過率A（x,y） = AoT（x,y）或者是形成隨坐標變化的 相位分布A（x,y）= AoTexpi 0 （x,y）或者是形成隨坐標變化的不同的散射狀態(tài)。顧名思 義，這是一種對光波的空間分布進行調(diào)制的器件。它的英文名稱是 Spatial LightModulator（SLM） 。第 2 章作業(yè)

7、（激光技術 -藍信鉅， 103 頁）1說明利用調(diào) Q 技術獲得高峰值功率巨脈沖的原理， 并簡單說明調(diào) Q 脈沖形成過程中各參量 隨時間的變化。答：（1）利用調(diào) Q 技術獲得高峰值功率巨脈沖的原理： 因為激光物質(zhì)上能級最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制，為使上能級積累大量的粒 子，就可以在激光器開始泵浦初期，設法將激光器的閾值調(diào)的很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，使 激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累，當粒子數(shù)達到最大時，然后突然調(diào)低閾值，這樣，積累在 上能級的粒子便雪崩式的躍遷到低能級， 在極短的時間內(nèi)將能量釋放出來， 就獲得峰值功率極 高的巨脈沖。（2）脈沖形成過程中各參量隨時間的變化：以腔內(nèi)損耗突變時

8、記為t= 0,在此之前只是準備了初始粒子數(shù)密度 ni, t=0時，泵浦功率 將耗盡，粒子反轉(zhuǎn)數(shù) n達到最大值 ni,受激光子數(shù)為零，即O=Oi=0,經(jīng)過一段時間受激輻 射占優(yōu)勢時，雪崩過程開始形成，開始急劇增長， n開始劇減，這一過程一直持續(xù)到 n= nt（閾值），此時腔內(nèi)光子數(shù)達到最大值 m。光子在腔內(nèi)的壽命為tc，每個光子的能量為hv, 則激光的峰值功率 Pm=hv/2tc。（此題畫出各參數(shù)隨時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，試回答或計算下列問題：畫出調(diào)Q激光器的結構示意圖，并標出偏振鏡的偏振軸和電光晶體各主軸的相對方向(2) 怎樣調(diào)整偏

9、振棱鏡的起偏方向和晶體的相對位置才能得到理想的開關效果？12(3) 計算 I/4 波長電壓 V入/4(l= 25mm, no= ne= 1.05, 丫 63=23.6 XO-''加V)。解：(1)調(diào)Q激光器的結構示意圖透反鏡 氙燈偏振器電光晶體全反鏡偏振鏡的偏振軸和電光晶體各主軸的相對方向(2)欲使偏振器的電光調(diào) Q器件得到理想開關效果的關鍵是必須嚴格使棱鏡的起偏方向與電光晶體的x軸或y軸方向一致，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)棱鏡和晶體的相對方位，直到激光不 能振蕩為止。(3)兩偏振光

10、出射時的相位差，比2兀3.1.06 10九曲，令& ”/2得到V丸4，V/4 二34no3 634 1.05323.6 b 皿987 10 V5.當頻率fs=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(Vs=5.96X105cm/s)時，試計算波長為 入=1.06m的入射光滿足布拉格條件的入射角 9。解：根據(jù)布拉格方程有sin%2ns40 106/s = 0.002311.06 10*cm2 1.54 5.96 105 cm/ s所以：=0.132°6個聲光調(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。

11、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)動功率Ps應為多大？ (2)聲光器件要工作于布拉格衍射區(qū)，其聲場頻率應為多少解：(1)聲光介質(zhì)用熔融石英 Mw = 1/106, YAG激光器的波長為1.06微米，氦氖激光器的波長為0.633微米。聲光介質(zhì)中超聲場的尺寸 H = 5mm, L=50mm，衍射效率為1時所需的功率(H 1/ n、扎1<L JMW= 37.4WPs =1.26單程增益為0.3,聲光轉(zhuǎn)換效率為40%時，聲光器件的驅(qū)動功率37.4 0.3P28.05 W0.4L_ 2L0。(2)聲光器件要工作于布拉格衍射區(qū)，其聲場頻率的大小應

12、該由判據(jù)來定，即2 2 2而L0=入s/入=Vs/(f s入);所以1/2 1/2f sA2 Vs/ (L 入)_21/2 X 5.96 X 105/(50X 10-1 X 1.06 X 10-4) 1/2_37MHz142 頁)1千個，激光器的腔長 1. 5m，輸出的平均功率為 1w，認為各縱模振第3章作業(yè)(激光技術-藍信鉅，3 有一多縱模激光器縱模數(shù)是 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，調(diào)制器上加電壓V(t) = Vmcos( <mt)，試問電壓的頻率是多大 ？解：(1)在鎖模情況下，光脈沖的周期=1 10&q

13、uot;(s) 2L 2 1.5T 二c3匯108每個光脈沖的寬度12 1.5 =1 10J1(s)人112N 1 ： q 1000 3 108光脈沖的峰值功率是平均功率的2N + 1倍，Pmax=(2N1)P=10001 =1000(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候可實現(xiàn)調(diào)制(以確保損耗的變化頻率 與相鄰縱模的頻率間隔相同)，丄三2 3.14 3 1°8 乜口 1082 1.5m 2 T 224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 ）usc=12 XIO1°Hz，腔長L = 0. 5m,試計算激光器的參量；（1）

14、縱模頻率間隔，（2） cosc內(nèi)可容納縱模的數(shù)目； 假設各縱模振 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c2L83 102 0.5=3 108(Hz) Use內(nèi)可容納縱模的數(shù)目,J12 10103 108= 400（3）鎖模后脈沖的寬度1 1 1 1'弋=8.3x：102(s)N 1 /： q 400 3 108鎖模后脈沖的周期2 0.53 108= 3.3 10*(s)(4) 鎖模脈沖占有的空間距離 a c2L 2 95"亠、d1 = e2.5 10 (m)(2N1)c400脈沖間隔占有的空間距離d1 = cT =

15、c =2 0.5 = 1(m)c6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應為多大？每個脈沖的能量與調(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應為L/c。與調(diào)制器放在緊靠端鏡處相比，每個脈沖的能量約為原來的1/2。第4章作業(yè)（激光技術-藍信鉅，169頁）1 比較激光蕩器和放大器的異同點。答：激光放大器與激光振蕩器基于同一物理過程，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)，當從激光振蕩器產(chǎn)生的光脈沖信號通過 它時，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)

16、態(tài)上的粒子在外來信號的作用下產(chǎn)生強烈的 受激輻射。這種輻射疊加在外來光信號上而得到放大，因而放大器能輸出一束比原來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)和與輸入信號相匹配的能級結構。3 為什么放大器可以壓窄脈沖寬度？它與鎖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，當矩形脈沖通過放大器時，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。結果就引起脈沖形狀

17、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 ,使這些各自獨立的縱模在時間上同步，它們之間的相位有確定的關系。多個縱模之間會發(fā)生功率耦合而不再獨立，每個模的功率是所有振蕩 模提供的，導致輸出一峰值功率高，脈沖寬度窄的序列脈沖。利用鎖模壓窄脈寬和利用放大器壓窄脈寬的原理不同，另外鎖模技術利用將能量壓縮在極短的時間內(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YAG激光放大器， N）= 6X 1017cm3，匚佗=5X 10-23卅，對一矩形光脈沖放大，已知光束截面是 0. 5cm2,光子能量hu = 1

18、. 86 x 10-19J，脈寬為10ns,能量為50mJ,若要求放大到200mJ,試求放大介質(zhì)的長度應為 多少？解：已知 u n0 =6 1023m-712 =5 10”cm2=5 lOm2, . = 10s,s = 0.5 10m2可得到初始光子流密度|0 引5° 1048 = 5.376 1029husw 1.86 疋 10 漢 0.500 X10又因能量放大系數(shù) Ge放大=4E初由公式GeIn2；12b：12|0 .將各參數(shù)值帶入上式，可得到232 5 1012985.376 1010Lln1.51宀376 1029 10 J J宀 1023由上式可得,L=0.07888m第

19、5章作業(yè)（激光技術-藍信鉅，193頁）2. 分析利用衍射損耗的不同選基模（TEM。）的原理。答：在激光器的諧振腔中有若干個穩(wěn)定的振蕩模，只要某個模的單程增益大于它的損耗，該模式就有可能 被激發(fā)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)無關的損耗；另一種是與橫模階數(shù)密 切相關的衍射損耗，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。諧振腔對不同階的橫模有不同的衍射損耗的性能是實現(xiàn)橫模選擇的物理基礎，適當選擇菲涅爾數(shù)N的值,使之滿足汀2（1-、00）exp（GL） 1、億（1 -、w）exp（GL） 1兩式則可以實現(xiàn)單橫模選擇的目的。考慮到模式間的競爭，如果

20、各模式的增益相同，因基模的衍射損耗最小，因而在模式競增中將占優(yōu)勢。 一旦基模首先建立振蕩，就會從激活介質(zhì)中提取能量，而且由于增益飽和效應，工作物質(zhì)的增益將隨之降 低，當滿足條件“2（1-FexpQL） =1時，振蕩趨于穩(wěn)定。此時其它橫模將因為不再滿足閾值條件被抑制掉，故激光 器仍可以單橫模運轉(zhuǎn)。為有效地選擇橫模，還必須考慮兩個問題：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橫模區(qū)分開。另外，衍射損耗在模的總損耗中必須占有重要地位， 達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d= 24.0nm,折射率n = 1.50，

21、若用短腔法選單縱模，腔長應為多少？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足 Uq且也=CZD/X2q 2nL將D =24.0 nm , n=1.50帶入上式可得-5L=1.5 x 10 m5.臺紅寶石激光器，腔長L=500 mm震蕩線寬-vD =2.4 x 1010 Hz,在腔內(nèi)插入F-P標準具選單縱模（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，即標準具兩透過率的極大值間隔二.：Vd因 LVm -,n=12nd沖c3"083則 d訶=6.25 10 m2n 也 vD2U

22、.4x10（2）在標準具的自由光譜區(qū)，.：vm = F J vt =F 2 .vqc2nL所以，F(xiàn) = Wm匚Vm'VdLVt2 Mc22nL=Vq二又因為,102.4 103 108=400.5Fr2Fr設Fp =50，由上2式得R=0.985如果直接用F = 401 -R得到的結果是R=0.9247.為了抑制高階橫模，在一共焦腔的反射鏡處放置一個小孔光闌，若腔長L為1m，激光波長入為632.8nm。為了只讓TEM 00模振蕩，小孔的大小應為多少？（一般小孔直徑等于鏡面上基模光斑尺寸的34倍，即r/a =3或4）。解：對于此種諧振腔，要求r a /（入L）=3 ,將 r/ a =3

23、代入得：r = 0.3 X 3 入 L1/2 = 0.75nm 將 r/ a =4 代入得：r = 0.3 X 4 入 L1/2 =0.87nm第6章作業(yè)（激光技術-藍信鉅，217頁）1. 比較蘭姆凹陷穩(wěn)頻與反蘭姆凹陷穩(wěn)頻的異同點。答：蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實質(zhì)是：以譜線的中心頻率U D作為參考標準，當激光振蕩頻率偏離U D時，即輸出一誤差信號T通過伺服系統(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)壓電陶瓷的伸縮來控制腔長把激光振蕩頻率自動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。蘭姆凹陷OS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反蘭姆凹陷穩(wěn)頻即在諧振腔中放入一個充有一個低壓氣體原子(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，可以忽略不計吸收線中心頻率的壓力位 移也很小。吸收管一般沒有放電作用，故譜線中心頻率比較穩(wěn)定。吸收線