光電信息綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)范圍

1、光電信息綜合實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)范圍一、試卷題型： 判斷題（共10題，20分） 填空題（共10格，30分） 名詞解釋（共3題，24分） 簡(jiǎn)答計(jì)算題（共2題，26分）二、考試時(shí)間：（60分鐘）2018年06月20日(第17周,星期三) 下午14:00-15:00 共計(jì)60分鐘。三、復(fù)習(xí)范圍：光電信息綜合實(shí)驗(yàn)（一）復(fù)習(xí)范圍：實(shí)驗(yàn)1 （包括引言） 激光器的構(gòu)成；激光實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)方法；本課程所用激光器的特性。光學(xué)諧振腔、工作物質(zhì)、激勵(lì)系統(tǒng)；用眼睛直接觀察（主觀觀察）、用光電探測(cè)器進(jìn)行客觀測(cè)量；氦氖激光器：功率一般約數(shù)毫瓦，連續(xù)發(fā)光。因?yàn)橹圃旆奖?、較便宜、可靠，所以使用較多。由于單色性好，相干長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十米以致數(shù)百米

2、。半導(dǎo)體泵浦固體激光器：它具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。補(bǔ)：常用的光電探測(cè)器有光電管、光敏電阻、光電池和CCD探測(cè)器等 泵浦耦合方式；端面泵浦耦合的方式；半導(dǎo)體泵浦固體激光器采用的泵浦方式。主要有端面泵浦和側(cè)面泵浦；直接耦合和間接耦合（組合透鏡系統(tǒng)耦合、自聚焦透鏡耦合、光纖耦合）；間接耦合（組合透鏡系統(tǒng)耦合） 課前預(yù)習(xí)題半導(dǎo)體固體激光器的特點(diǎn)；泵浦耦合方式有哪兩種？直接耦合和間接耦合方式的區(qū)別；間接耦合常見(jiàn)的方式有哪幾種？本實(shí)驗(yàn)如何進(jìn)行壓縮和耦合的？效率高、體積小、壽命長(zhǎng)；端面泵浦和側(cè)面泵浦；直接耦合：將半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面緊貼增益介質(zhì)，使泵浦光束在尚未發(fā)散開之前便被增益介質(zhì)吸收，泵

3、浦源和增益介質(zhì)之間無(wú)光學(xué)系統(tǒng)，這種耦合方式稱為直接耦合方式。直接耦合方式結(jié)構(gòu)緊湊，但是在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)，并且容易對(duì)LD造成損傷。間接耦合：指先將半導(dǎo)體激光器輸出的光束進(jìn)行準(zhǔn)直、整形，再進(jìn)行端面泵浦。；組合透鏡系統(tǒng)耦合、自聚焦透鏡耦合、光纖耦合；本實(shí)驗(yàn)先用光纖柱透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行快軸準(zhǔn)直，壓縮發(fā)散角，然后采用組合透鏡對(duì)泵浦光束進(jìn)行整形變換，各透鏡表面均鍍有泵浦光的增透膜，耦合效率高。本實(shí)驗(yàn)的壓縮和耦合如圖 1.1所示。圖 1.1 本實(shí)驗(yàn)LD光束快軸壓縮耦合泵浦簡(jiǎn)圖實(shí)驗(yàn)2 本實(shí)驗(yàn)使用的激光晶體是什么？具有哪些優(yōu)點(diǎn)？其吸收光譜圖有什么特點(diǎn)？（圖2.1）以Nd3+離子部分取代Y3Al5O12晶

4、體中Y3+離子的摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）；具有量子效率高、受激輻射截面大、光學(xué)質(zhì)量好、熱導(dǎo)率高、容易生長(zhǎng)等的優(yōu)點(diǎn)；Nd:YAG在807.5nm處有一強(qiáng)吸收峰圖 2.1 Nd:YAG晶體中Nd3+吸收光譜圖 如何將指示激光調(diào)平？如實(shí)物照片（圖2.2），將808nm半導(dǎo)體泵浦光源固定于諧振腔光路導(dǎo)軌座的右端，650nm指示激光器及調(diào)節(jié)架固定于導(dǎo)軌最左側(cè)；將“小孔光闌”放在650nm激光右側(cè)，調(diào)節(jié)指示激光器的二維平移旋鈕，使650nm指示激光束打在輸出鏡中心，將“小孔光闌”移動(dòng)到導(dǎo)軌的最右側(cè)，調(diào)節(jié)指示激光器的二維俯仰旋鈕，使650nm激光束仍然照射到“小孔光闌”中心，反復(fù)幾次將指示激光調(diào)平。圖

5、2.2 指示激光器調(diào)節(jié)光路實(shí)物圖 課前預(yù)習(xí)題激光晶體的概念；Nd:YAG的吸收光譜有什么特點(diǎn)？如何將指示激光調(diào)平可將外界提供的能量通過(guò)光學(xué)諧振腔轉(zhuǎn)化為在空間和時(shí)間上相干的具有高度平行性和單色性激光的晶體材料。是晶體激光器的工作物質(zhì)；······；······實(shí)驗(yàn)3 端面泵浦的激光諧振腔形式（圖3.1）圖 3.1 端面泵浦的激光諧振腔形式 激光晶體作為輸入鏡，一面鍍什么膜？什么作為輸出鏡？一面鍍泵浦光增透和輸出激光全反膜；鍍輸出激光一定透過(guò)率的凹面鏡作為輸出鏡 如何才能容易獲得

6、基模輸出？如圖3.1所示，平凹腔中的g參數(shù)則表示為： 根據(jù)腔的穩(wěn)定性條件，時(shí)腔為穩(wěn)定腔。故當(dāng)時(shí)腔穩(wěn)定。同時(shí)容易算出其束腰位置在晶體的輸入平面上，該處的光斑尺寸為：本實(shí)驗(yàn)中，R1為平面，R2=200mm，L=80mm。由此可以算出大小。所以，泵浦光在激光晶體輸入面上的光斑半徑應(yīng)該，這樣可使泵浦光與基模振蕩模式匹配，就容易獲得基模輸出。 課前預(yù)習(xí)題復(fù)習(xí)1064nm固體激光出光的調(diào)試方法；諧振腔的最佳輸出狀態(tài)如何選取？改變輸出鏡的透過(guò)率，固體激光模式、激光出光功率、轉(zhuǎn)換效率、閾值條件等會(huì)不會(huì)變化？ 改變腔長(zhǎng)，以上各項(xiàng)會(huì)不會(huì)變化(1)如實(shí)物照片（圖2.4），將1064nm的“激光輸出鏡”置于激光晶體左

7、邊，輸出鏡的鍍膜面朝向激光晶體，中間預(yù)留出150mm160mm左右的距離，以備后面腔內(nèi)還要插入其他器件。調(diào)節(jié)輸出鏡的二維俯仰旋鈕，使其反射的650nm的指示激光束光點(diǎn)返回到指示激光出光口內(nèi)，關(guān)閉指示激光。圖2.4 激光輸出鏡調(diào)節(jié)光路實(shí)物圖（2）將半導(dǎo)體泵浦光源的電源旋鈕調(diào)節(jié)到1A，取出紅外顯示卡片放置到輸出鏡的左端并輕微晃動(dòng)輸出鏡，使左側(cè)卡片上顯示出長(zhǎng)條形光斑，微調(diào)輸出鏡的二維俯仰旋鈕，使得長(zhǎng)條形光斑慢慢內(nèi)縮，固定輸出鏡，再微調(diào)二維俯仰旋鈕，最后縮成一個(gè)圓形光斑。根據(jù)腔的穩(wěn)定性條件，時(shí)腔為穩(wěn)定腔。故當(dāng)時(shí)腔穩(wěn)定。·······

8、·······；····················實(shí)驗(yàn)4 本實(shí)驗(yàn)采用的是什么倍頻晶體？具有什么特點(diǎn)？其最佳相位匹配角是什么？KTP晶體；在1064nm光附近有高的有效非線性系數(shù)，導(dǎo)熱性良好；最佳相位匹配角為：q=90°，f=23.3°，對(duì)應(yīng)的有效非線性系數(shù)deff=7.36×10-12V/m。

9、 倍頻技術(shù)有哪兩種？分別具有什么特點(diǎn)？腔內(nèi)倍頻、腔外倍頻；腔內(nèi)倍頻是指將倍頻晶體放置在激光諧振腔之內(nèi)，由于腔內(nèi)具有較高的功率密度，因此較適合于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的固體激光器。腔外倍頻方式指將倍頻晶體放置在激光諧振腔之外的倍頻技術(shù)，較適合于脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)的固體激光器。 常用調(diào)Q方法有哪些？本實(shí)驗(yàn)采用什么方法？?jī)?yōu)點(diǎn)是什么？常用的調(diào)Q方法有電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q和被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q；本實(shí)驗(yàn)采用的Cr4+:YAG是可飽和吸收調(diào)Q的一種；它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，無(wú)電磁干擾，可獲得峰值功率大、脈寬小的巨脈沖。 本實(shí)驗(yàn)用的是哪種調(diào)Q晶體？其被動(dòng)調(diào)Q的工作原理是什么？（簡(jiǎn)述）Cr4+:YAG被動(dòng)調(diào)Q的工作原理是：當(dāng)Cr4+:YA

10、G被放置在激光諧振腔內(nèi)時(shí)，它的透過(guò)率會(huì)隨著腔內(nèi)的光強(qiáng)而改變。在激光振蕩的初始階段，Cr4+:YAG的透過(guò)率較低（初始透過(guò)率），隨著泵浦作用增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷增加，當(dāng)諧振腔增益等于諧振腔損耗時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)可飽和吸收體的透過(guò)率仍為初始值。隨著泵浦的進(jìn)一步作用，腔內(nèi)光子數(shù)不斷增加，可飽和吸收體的透過(guò)率也逐漸變大，并最終達(dá)到飽和。此時(shí)，Cr4+:YAG的透過(guò)率突然增大，光子數(shù)密度迅速增加，激光振蕩形成。腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到最大值時(shí)，激光為最大輸出，此后，由于反轉(zhuǎn)粒子的減少，光子數(shù)密度也開始減低，則可飽和吸收體Cr4+:YAG的透過(guò)率也開始減低。當(dāng)光子數(shù)密度降到初始值時(shí)，Cr4+:Y

11、AG的透過(guò)率也恢復(fù)到初始值，調(diào)Q脈沖結(jié)束。 課前預(yù)習(xí)題常用的調(diào)Q方法有哪幾種？Cr4+:YAG被動(dòng)調(diào)Q的工作原理是什么？什么是倍頻現(xiàn)象？常用的倍頻晶體有哪些？倍頻技術(shù)有哪兩種？·······；················；光波電磁場(chǎng)與非磁性透明電介質(zhì)相互作用時(shí)，光波電場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象。當(dāng)強(qiáng)光激光產(chǎn)生后，由此產(chǎn)生的介質(zhì)極化已不再是與場(chǎng)強(qiáng)呈線性關(guān)系，而是明顯的表現(xiàn)出二

12、次及更高次的非線性效應(yīng)。倍頻現(xiàn)象就是二次非線性效應(yīng)的一種特例；常用的倍頻晶體有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等；··················實(shí)驗(yàn)5 介質(zhì)增益和哪些因素有關(guān)？介質(zhì)增益與毛細(xì)管長(zhǎng)度、內(nèi)徑粗細(xì)、兩種氣體的比例、總氣壓以及放電電流等因素有關(guān) 半外腔式激光器調(diào)出光的方法根據(jù)氦氖激光諧振腔調(diào)整與功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝配圖5.2安裝好所有的器件，然后打開電源開關(guān)。十字叉絲板功率計(jì)探頭功率計(jì)氦氖半外腔激光器圖5

13、.2 氦氖激光諧振腔調(diào)整與功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)圖使用臺(tái)燈照亮十字叉絲板，叉絲線朝向半外腔激光器。通過(guò)叉絲板中心小孔，目視氦氖激光器毛細(xì)腔。調(diào)整叉絲板小孔的位置，使得操作人可以目視到毛細(xì)管另一端腔片上的極亮斑，并將亮斑調(diào)整到毛細(xì)管中心。調(diào)整半外腔激光器后腔鏡旋鈕，此時(shí)操作人通過(guò)叉絲板小孔可以看見(jiàn)經(jīng)照亮的十字叉絲板圖案反射到半外腔激光器后腔鏡表面上的像，調(diào)整后腔鏡鏡架旋鈕，將叉絲像交點(diǎn)與毛細(xì)管內(nèi)亮斑重合。反復(fù)調(diào)節(jié)，直至激光器發(fā)光。 課前預(yù)習(xí)題氦氖激光器由哪幾部分構(gòu)成？介質(zhì)增益與哪些因素有關(guān)？激光振蕩產(chǎn)生的條件是什么？?jī)?nèi)腔式氦氖激光器與外腔式氦氖激光器的區(qū)別是什么？氦氖激光器（簡(jiǎn)稱He-Ne激光器）由光學(xué)諧

14、振腔（輸出鏡與全反鏡）、工作物質(zhì)（密封在玻璃管里的氦氣、氖氣）、激勵(lì)系統(tǒng)（激光電源）構(gòu)成；·····；總之腔的損耗必須小于介質(zhì)的增益，才能建立激光振蕩；內(nèi)腔式He-Ne激光器的腔鏡封裝在激光管兩端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、輸出鏡及全反鏡是安裝在調(diào)節(jié)支架上的實(shí)驗(yàn)6 什么是多普勒增寬?(查激光原理書或百度之)實(shí)際上發(fā)光原子作無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的原子發(fā)出的光波產(chǎn)生多普勒頻移，頻移的大小依賴于原子運(yùn)動(dòng)速度沿觀測(cè)方向的分量，趨近的原子發(fā)光頻率增大，遠(yuǎn)離的原子發(fā)光頻率減小；不同速度分量的原子發(fā)光頻移大小不同。疊加的總效果造成譜線的多普勒增寬，其值與

15、絕對(duì)溫度的平方根成正比。通常多普勒增寬比自然寬度大23個(gè)量級(jí)。 激光諧振腔內(nèi)形成持續(xù)振蕩的條件是什么？ 形成持續(xù)振蕩的條件是，光在諧振腔中往返一周的光程差應(yīng)是波長(zhǎng)的整數(shù)倍即 (6-1) 什么是縱模？縱模的特征？相鄰縱模的頻率間隔與什么有關(guān)？這正是光波相干極大條件，滿足此條件的光將獲得極大增強(qiáng)。式中，是折射率，對(duì)氣體，是腔長(zhǎng)，是正整數(shù)，每一個(gè)對(duì)應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布，叫一個(gè)縱模，稱作縱模序數(shù)。是一個(gè)很大的數(shù)，通常我們不需要知道它的數(shù)值。（縱模是指沿諧振腔軸向的穩(wěn)定光波振蕩模式）；縱模特征：相鄰縱模頻率間隔相等；對(duì)應(yīng)同一橫模的一組縱模，它們強(qiáng)度的頂點(diǎn)構(gòu)成了多普勒線型的輪廓線。相鄰縱模頻率間隔和

16、激光器的腔長(zhǎng)成反比。即，腔越長(zhǎng)，縱越小，滿足振蕩條件的縱模個(gè)數(shù)越多；相反腔越短，縱越大 課后思考題············ 共焦球面掃描干涉儀可以用來(lái)觀測(cè)什么？其結(jié)構(gòu)如何？（圖6.2）用眼睛和一般光譜儀器不能分辨的所有縱模、橫模展現(xiàn)成頻譜圖圖6-2 共焦球面掃描干涉儀原理結(jié)構(gòu)圖 共焦球面掃描干涉儀有哪兩個(gè)性能參數(shù)？自由光譜范圍、精細(xì)常數(shù) 如何將內(nèi)腔式激光器調(diào)準(zhǔn)直？將可變光闌靠近激光器，調(diào)激光器，遠(yuǎn)離調(diào)俯仰，靠近調(diào)左右，多次。 已知激光器的腔長(zhǎng)，如何計(jì)算自由光譜區(qū)以及共焦腔的腔

17、長(zhǎng)？反之，已知共焦腔的腔長(zhǎng)，如何計(jì)算相鄰縱模的頻率間隔以及激光器的等效腔長(zhǎng)？··················· v=c/2Lvq=1c/2Lc/2L實(shí)驗(yàn)7 激光橫模的定義及特征。這是因?yàn)楣饷拷?jīng)過(guò)放電毛細(xì)管反饋一次，就相當(dāng)于一次衍射。多次反復(fù)衍射，就在橫向的同一波腹處形成一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定的衍射光斑。每一個(gè)衍射光斑對(duì)應(yīng)一種穩(wěn)定的橫向電磁場(chǎng)分布，稱為一個(gè)橫模。我們所看到的復(fù)雜的光斑則是這些基本光斑的迭加，圖7-

18、1是幾種常見(jiàn)的基本橫模光斑圖樣。圖7-1 常見(jiàn)的基本橫模光斑圖樣不同橫模對(duì)應(yīng)不同的頻率，橫模序數(shù)越大，頻率越高?？傊魏我粋€(gè)模，既是縱模，又是橫模。它同時(shí)有兩個(gè)名稱 相鄰橫模的頻率間隔和相鄰縱模的頻率間隔的比值關(guān)系？相鄰橫模頻率間隔為 (7-2)相鄰的橫模頻率間隔與縱模頻率間隔的比值是一個(gè)分?jǐn)?shù)，如圖7-2，分?jǐn)?shù)的大小由激光器的腔長(zhǎng)和曲率半徑?jīng)Q定。腔長(zhǎng)與曲率半徑的比值越大，分?jǐn)?shù)值越大。當(dāng)腔長(zhǎng)等于曲率半徑時(shí)（LR1R2，即共焦腔），分?jǐn)?shù)值達(dá)到極大，即相鄰兩個(gè)橫模的橫模間隔是縱模間隔的1/2，橫模序數(shù)相差為2的譜線頻率正好與縱模序數(shù)相差為1的譜線頻率簡(jiǎn)并。圖7-2 縱橫模間隔示意圖實(shí)驗(yàn)8 高斯光束

19、的三個(gè)重要參數(shù)是什么？束腰半徑的定義。、分別表示了高斯光束的光斑半徑、等相面曲率半徑、相位因子，是描述高斯光束的三個(gè)重要參數(shù)；定義為場(chǎng)振幅減小到最大值的的值，稱為腰斑，它是高斯光束光斑半徑的最小值 光斑半徑隨坐標(biāo)的變化規(guī)律。光斑半徑隨坐標(biāo)按雙曲線 規(guī)律而向外擴(kuò)展，如圖8-1所示圖8-1 高斯光束以及相關(guān)參數(shù)的定義 瑞利長(zhǎng)度和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的定義。在光學(xué)，特別是激光學(xué)中，我們?cè)O(shè)鞍腰部（如圖中所示的最低處）為A，其橫截面面積為a，沿光的傳播方向，當(dāng)橫截面面積因?yàn)樯⑸溥_(dá)到2a時(shí)，我們?cè)O(shè)此處為B，瑞利長(zhǎng)度或者瑞利射程正是指從A到B的長(zhǎng)度（即圖中所示ZR)。相關(guān)參數(shù)是共軛焦距，b，其長(zhǎng)度是兩倍的瑞利長(zhǎng)度。當(dāng)

20、光波按高斯模型傳播的時(shí)候，瑞利長(zhǎng)度則顯得非常重要。從高斯光束的等相位面半徑以及光束半徑的分布規(guī)律可以知道，在瑞利長(zhǎng)度之外，高斯光束迅速發(fā)散，定義當(dāng) 時(shí)高斯光束振幅減小到最大值1/e處與z軸夾角為高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角（半角） 對(duì)于給定腔長(zhǎng)以及曲率半徑的平凹腔激光器，如何計(jì)算高斯光束的束腰半徑、瑞利長(zhǎng)度以及遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角？ (8-2) (8-3) (8-4)高斯光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的一般定義(上一題)為：當(dāng)時(shí)，高斯光束振幅減小到中心最大值處與z軸的交角，即表示為 (8-7) （8-18） 束腰處以及發(fā)散角的特點(diǎn)。A高斯光束的發(fā)散角隨傳播距離的增大而非線性增大；B在束腰處，發(fā)散角為0；在無(wú)窮遠(yuǎn)，發(fā)散角最大C通

21、常將 區(qū)域定義為光束準(zhǔn)直區(qū)；D 越大，則遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角愈小。因此為了減小光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，可采用光學(xué)變換的方法，使其束腰增大。實(shí)驗(yàn)9 高斯光束通過(guò)薄透鏡后的變換（圖9.1）圖9-1 高斯光束通過(guò)薄透鏡的變換 滿足什么條件時(shí)，可以用幾何光學(xué)的方法粗略研究近軸高斯光束？當(dāng)滿足 條件時(shí) 像方高絲光速束腰位于透鏡焦面處時(shí)，像方束腰半徑的公式是什么？ 高斯光束的聚焦及準(zhǔn)直的定義。高斯光束的聚焦，指的是通過(guò)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)減小像方高斯光束的束腰半徑，從而達(dá)到對(duì)其進(jìn)行聚焦的目的。準(zhǔn)直：即利用光學(xué)系統(tǒng)壓縮高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角,提高能量和傳輸距離。 用薄透鏡對(duì)高斯光束進(jìn)行聚焦，當(dāng)焦距一定時(shí)，像方束腰半徑隨物距的變化規(guī)

22、律是什么？（圖9.3）圖9-3 F為定值時(shí)隨l變化的規(guī)律 本實(shí)驗(yàn)中的所有結(jié)論！1當(dāng)物方高斯光束束腰遠(yuǎn)離透鏡時(shí)，距離l的增加以及焦距F的減小都會(huì)引起像方高斯光束束腰半徑的減小，即聚焦效果的增強(qiáng)。2要獲得盡可能好的聚焦效果，可以采取的方法有： a盡量采用短焦距的透鏡； b使高斯光束束腰位置遠(yuǎn)離透鏡的焦平面，滿足條件 ； c使高斯光束束腰位置位于透鏡上，即 ，并設(shè)法滿足條件 。3可以用一個(gè)透鏡先壓縮高斯光束的束腰半徑，再用一個(gè)長(zhǎng)焦透鏡壓縮高斯光束的發(fā)散角。光電信息綜合實(shí)驗(yàn)（二）復(fù)習(xí)范圍：實(shí)驗(yàn)1 光電基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)驗(yàn) 對(duì)輻射度量與光度量等基本概念有具體認(rèn)識(shí) 本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)儀器有哪些？ 光輻射、可見(jiàn)光等相關(guān)概念的掌握 課后思考題實(shí)驗(yàn)2 光敏電阻的特性實(shí)驗(yàn) 外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)的區(qū)別 內(nèi)光電效應(yīng)又分為哪兩種光電效應(yīng)？這兩種效應(yīng)的具體含義及所對(duì)應(yīng)的光電器件 光