激光技術(shù)_答案(共9頁(yè))

1、考試(kosh)時(shí)間：12月17日 19:0021:00考試(kosh)地點(diǎn)：思源樓411，412，座位安排(npi)：學(xué)號(hào)03211138-05231022在411教室，0523114406292044在412教室第一章作業(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)14波片，（1）它的軸向應(yīng)如何設(shè)置為佳? （2）若旋轉(zhuǎn)14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)V1/4的固定偏壓(Ex和Ey的附加位相差為900)；使得調(diào)制

2、器在透過率T=50%的工作點(diǎn)上。 （2）. 若旋轉(zhuǎn)14波片，會(huì)導(dǎo)致Ex和Ey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V1/4。當(dāng)然調(diào)制器的工作點(diǎn)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(jié)構(gòu)。試問：(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=0.628m，n。1.51，6323.61012mV，計(jì)算其半波電壓，并與單塊晶體調(diào)制器比較之。xyz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

3、一致（如下圖），xyzxyzxyz(2).四塊晶體疊加后，每塊晶體的電壓為： 而單塊晶體得半波電壓為： 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(xio un)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(y zhu)，假如光強(qiáng)有兩次強(qiáng)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(dòng)

4、偏振片一周，假如光強(qiáng)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(gè)(y )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(dāng)它通過電光晶體后沒有固定的位相差；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程稱之為電光調(diào)制。激光通過加有電場(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）信息通過光波的強(qiáng)度、相位變化體現(xiàn)出來。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程稱之為聲光調(diào)制。調(diào)制信號(hào)是以

5、電信號(hào)(調(diào)輻)形式作用于電聲換能器上而轉(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?cè)诮橘|(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

6、。e.空間光調(diào)制器：可以形成隨xy坐標(biāo)變化的振幅(或強(qiáng)度)透過率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)A0Texpi(x,y) 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。它的英文名稱是Spatial Light Modulator(SLM)。第2章作業(yè)（激光技術(shù)-藍(lán)信鉅，103頁(yè)）說明利用調(diào)Q技術(shù)獲得高峰值功率巨脈沖的原理，并簡(jiǎn)單說明調(diào)Q脈沖形成過程中各參量隨時(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

7、始泵浦初期，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(chnshng)，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，就獲得峰值功率極高的巨脈沖。（2）脈沖形成(xngchng)過程中各參量隨時(shí)間的變化：以腔內(nèi)損耗突變時(shí)記為t0，在此之前只是準(zhǔn)備了初始粒子(lz)數(shù)密度ni，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ni，受激光子數(shù)為零，即=i=0，經(jīng)過一段時(shí)間受激輻射占優(yōu)勢(shì)時(shí)，雪崩過程開始形成，開始急劇增長(zhǎng)，n開始劇減，這一過程一直持續(xù)到n=nt（閾值），此時(shí)腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到最大

8、值m。光子在腔內(nèi)的壽命為tc，每個(gè)光子的能量為h，則激光的峰值功率Pm=hm/2tc。（此題畫出各參數(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)算下列問題： (1)畫出調(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關(guān)效果?(3)計(jì)算l4波長(zhǎng)電壓V/4 (l25mm，n0ne1.05, 63=23.610-12mV)。解：（1）調(diào)Q激光器的結(jié)構(gòu)示意圖透反鏡全反鏡YAG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xyzxy(2)欲使偏振器的電光

9、調(diào)Q器件得到理想開關(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，令得到(d do)，5當(dāng)頻率(pnl)fs=40MHz 的超聲波在熔凝石英(shyng)聲光介質(zhì)（n=1.54）中建立起超聲場(chǎng) (vs=5.96105cm/s)時(shí)，試計(jì)算波長(zhǎng)為=1.06m的入射光滿足布拉格條件的入射角。解：根據(jù)布拉格方程有所以：6一個(gè)聲光調(diào)Q器件(L50mm，H5mm)是用熔融石英材料做成，用于連續(xù)YAG激光器調(diào)Q。

10、已知激光器的單程增益為03，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PS應(yīng)為多大? (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MW1/106，YAG激光器的波長(zhǎng)為1.06 微米，氦氖激光器的波長(zhǎng)為0.633微米。聲光介質(zhì)中超聲場(chǎng)的尺寸H5mm，L=50mm，衍射效率為1時(shí)所需的功率 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（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)來定，即L 2L0。而L0=s2/=vs2/(fs2);所以fs 21/2vs/（L）1/2 21/2 5.96105/（5010-11

11、.0610-4）1/2 37MHz第3章作業(yè)(zuy)（激光技術(shù)-藍(lán)信鉅，142頁(yè)） 3有一多縱模激光器縱模數(shù)是1千個(gè)，激光器的腔長(zhǎng)15m，輸出(shch)的平均功率為1w，認(rèn)為(rnwi)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)Vmcos(mt)，試問電壓的頻率是多大?解：（1）在鎖模情況下，光脈沖的周期每個(gè)光脈沖的寬度光脈沖的峰值功率是平均功率的2N1倍，（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（以確保損耗的變化頻率與相鄰縱模的頻率間隔相同），4有一摻釹釔鋁石榴石

12、激光器，振蕩線寬(熒光譜線中能產(chǎn)生激光振蕩的范圍) osc=121010Hz，腔長(zhǎng)L05m，試計(jì)算激光器的參量；(1)縱模頻率間隔，(2) 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（2）osc內(nèi)可容納縱模的數(shù)目，（3）鎖模后脈沖的寬度鎖模后脈沖的周期（4）鎖模脈沖(michng)占有的空間距離脈沖間隔占有的空間(kngjin)距離6在諧振腔中部(zhn b)L2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

13、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)脈沖的能量約為原來的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(dāng)從激光振蕩器產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)通過它時(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光信號(hào)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

14、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

15、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，N061017cm-3，12510-23m2，對(duì)一矩形光脈沖放大，已知光束截面是05cm2，光子能量h18610-19J，脈寬為10ns，能量為50mJ，若要求放大到200mJ，試求放大介質(zhì)的長(zhǎng)度應(yīng)為多少?解：已知可得到初始光子流密度又因能量放大系數(shù)由公式(gngsh)將各參數(shù)值帶入上式，可得到(d do)由上式可得，L=0.07888m

16、第5章作業(yè)（激光(jgung)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)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(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，使之滿足兩式則可以實(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)

17、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)滿足條件時(shí)，振蕩趨于穩(wěn)定。此時(shí)其它橫模將因?yàn)椴辉贊M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。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D24.0nm，折射率n1.50，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

18、縱模振蕩則滿足 且 將=24.0 nm，n=1.50帶入上式可得L=1.510-5 m5一臺(tái)紅寶石激光器，腔長(zhǎng)L=500 mm，震蕩線寬=2.41010 Hz，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)具兩透過率的極大值間隔因 ， n=1則 （2）在標(biāo)準(zhǔn)具的自由(zyu)光譜區(qū)，而 所以(suy)，又因?yàn)?yn wi)， 且 設(shè) ，由上2式得R=0.985 如果直接用得到的結(jié)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(gè)小孔光闌，若腔長(zhǎng)L為1m，激光波長(zhǎng)為6328nm。為了只讓T

19、EM00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34倍,即r/=3或4)。解：對(duì)于此種諧振腔，要求r/(L)=3 ，將r/=3代入得：r = 0.33L1/2 = 0.75nm 將r/=4代入得：r = 0.34L1/2 =0.87nm第6章作業(yè)（激光技術(shù)-藍(lán)信鉅，217頁(yè)）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D作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光振蕩頻率偏離D時(shí)，即輸出一誤差信號(hào)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(zhǎng)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頻率曲線。反

20、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(ky)忽略不計(jì)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(xshu)線在中心處的凹陷，意味著吸收最小，故激光器輸出功率(光強(qiáng))在0處出現(xiàn)一個(gè)(y )尖峰, 通常稱為反蘭姆凹陷, 如上圖所示，反蘭姆凹陷可以作為一個(gè)很好的穩(wěn)頻參考點(diǎn)。蘭姆凹陷穩(wěn)頻是利用激光本身的原子躍遷中心頻率作為參考點(diǎn)，而原子躍遷的中心頻率易受放電條件等影響而發(fā)生變化，所以其穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性就受到局限。反蘭姆凹陷穩(wěn)頻是采