北工大光電子課程復(fù)習(xí)講義

1、北工大光電子課程復(fù)習(xí)講義概念題：一、激光器三要素、受激吸收、受激輻射、自發(fā)輻射二、電光效應(yīng)、電光調(diào)制、折射率橢球、普克爾效應(yīng)、克爾效應(yīng)、半波電壓、橫向電光效應(yīng)、縱向電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、聲光調(diào)制、布拉格衍射、聲光光/磁光調(diào)制三、各項(xiàng)同性晶體、各項(xiàng)異性晶體、對(duì)稱操作、坐標(biāo)變換四、激光器的調(diào)Q技術(shù)、 PRM 和PTM兩種調(diào)Q技術(shù)的區(qū)別、可飽和吸收體被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)五、鎖模技術(shù)、可飽和吸收、用可飽和吸收體被動(dòng)鎖模脈沖的形成過(guò)程、被動(dòng)鎖模、脈沖寬度、頻譜寬度、峰值功率六、橫模、單橫模、單縱模、穩(wěn)頻技術(shù)、頻率穩(wěn)定性的定義、蘭姆下陷、塞曼效應(yīng)、蘭姆下陷穩(wěn)頻原理七、損耗、色散、單模光纖、多模光纖、單模輸出條件、3

2、dB帶寬、材料色散、延遲時(shí)間、脈沖展寬八、光纖激光器、增益光纖、雙包層光纖、保偏光纖九、非線性光學(xué)效應(yīng)、倍頻、和頻、差頻、相位匹配條件、角度相位匹配、走離效應(yīng)、耦合波方程、正單軸晶體、負(fù)單軸晶體、一類相位匹配、二類相位匹配簡(jiǎn)答題：一、電光調(diào)制原理 二、聲光調(diào)制原理三、調(diào)Q基本原理 四、鎖?；驹砦?、穩(wěn)頻原理 六、選單模方法七、光纖傳輸基本原理 八、倍頻基本原理九、光纖激光器基本原理緒論的作業(yè)：1 光電子學(xué)的定義是什么？有幾方面內(nèi)容？光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合形成的技術(shù)學(xué)科。研究光頻電磁波場(chǎng)與物質(zhì)相互作用過(guò)程中的能量相互轉(zhuǎn)換。包括：激光與紅外物理學(xué)，非線性光學(xué)；波導(dǎo)光學(xué)；半導(dǎo)體光電子學(xué)；傅里葉光學(xué)等。

3、2 舉例寫出幾種光電子學(xué)應(yīng)用實(shí)例。激光矯正近視手術(shù)、飛秒激光器、光子晶體3 描述一下激光器的組成、特性、分類。特性：?jiǎn)紊浴⑾喔尚?、方向性、高亮?.人眼安全波段是多少？小于400nm，大于1400nm。5.激光的時(shí)間相干和空間相干特性決定激光器的什么光學(xué)特性？單色性；高亮度。第二章作業(yè)：1、調(diào)制有幾種？a) 根據(jù)調(diào)制器和激光器的相對(duì)關(guān)系：內(nèi)調(diào)制、外調(diào)制。b) 根據(jù)調(diào)制波的振蕩形式：模擬式調(diào)制、脈沖調(diào)制c) 根據(jù)激光被調(diào)制的性質(zhì)：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、強(qiáng)度調(diào)制、脈沖調(diào)制d)根據(jù)調(diào)制的光信號(hào)：聲光、磁光、電光調(diào)制。2、什么叫電光調(diào)制？調(diào)制晶體在外加電場(chǎng)作用下，其折射率發(fā)生變化，當(dāng)光波通過(guò)介質(zhì)時(shí)，傳輸

4、特性受到影響而改變。3、晶體的折射率通常用什么方程描述？請(qǐng)寫出KDP晶體加電壓和不加電壓時(shí)的晶體折射率方程。折射率橢球方程（1）無(wú)外加電場(chǎng)：（2）有外加電場(chǎng)：得：4、請(qǐng)推導(dǎo)KDP晶體沿Z軸加電壓時(shí)不含交叉項(xiàng)的折射率方程，并寫出三個(gè)主軸的折射率表達(dá)式。若E|Z，則 （1）設(shè)坐標(biāo)變化為： 代入（1），得另角度為45度，則令，得5、試設(shè)計(jì)一種電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置，如何檢驗(yàn)入射光的偏振態(tài)（線偏振光、橢圓偏振光、自然光）。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？6、某電光晶體，工作波長(zhǎng)1.06 微米，n0=1.76， r63 12.310-12m/V，求非線性晶體上的半波電壓

5、。7、請(qǐng)證明KDP縱向（ r63 ）電光調(diào)制裝置中加入四分之一波片后的透過(guò)率近似為：8、什么是聲光調(diào)制效應(yīng)？聲波是一種彈性波（縱向應(yīng)力波），在介質(zhì)中傳播時(shí)介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，激起介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)沿著聲波傳播方向振動(dòng)，使介質(zhì)呈現(xiàn)的疏密相間的交替變化，即使得介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期變化。這種疏密相間的變化，即形象的描述了一種光學(xué)元件光柵。該光柵常數(shù)等于聲波波長(zhǎng)。再當(dāng)光波通過(guò)介質(zhì)時(shí)，光產(chǎn)生衍射。其衍射光的強(qiáng)度、方向、頻率將隨著加在介質(zhì)上的聲波場(chǎng)的變化而變化。9、一鉬酸鉛聲光調(diào)制器，對(duì)He-Ne激光進(jìn)行調(diào)制，已知聲功率為1W，聲光互作用長(zhǎng)度為1.8mm，換能器寬度H=0.8mm，M2=36.3*10

6、-15 S3.Kg-1, 試求鉬酸鉛聲光調(diào)制器的布拉格衍射效率。Ps超聲驅(qū)動(dòng)功率、M2是品質(zhì)因數(shù)、L長(zhǎng)度、H為換能器寬度、為光波波長(zhǎng)。10、一束線偏振光通過(guò)長(zhǎng)25cm，直徑1cm的實(shí)心玻璃棒，外繞250匝導(dǎo)線，通電流5A，韋爾代常數(shù)V=0.5分/G.cm，計(jì)算光的旋轉(zhuǎn)角。=VBL=VuNILL=VuNI第三章作業(yè)：1、晶體分為幾大晶系，分別是什么？七大晶系：立方、三方、四方、六方、正交、單斜、三斜2、晶體的對(duì)稱性如何定義？對(duì)稱操作有哪幾種？對(duì)稱要素：對(duì)稱中心、對(duì)稱面、旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)倒反軸(復(fù)合3、什么叫張量？二階張量和三階張量的區(qū)別是什么？描述作用物理量與感生物理量關(guān)系的系數(shù)矩陣。二階張量有9個(gè)

7、分量，三階有27個(gè)。4、在本章中，坐標(biāo)變換的意義是什么？坐標(biāo)變換可以簡(jiǎn)化系數(shù)矩陣，消除交叉項(xiàng)。5、已知對(duì)稱操作的變換矩陣是Ac，四次旋轉(zhuǎn)軸操作的變換矩陣是AL4， 求四次旋轉(zhuǎn)倒反軸操作的變換矩陣。6、推導(dǎo)KDP電光晶體的電光系數(shù)矩陣的簡(jiǎn)化矩陣。（KDP為四方晶系，4_2m點(diǎn)群） Homework 1：1. Please illustrate the physical processes involved in the formation of relaxation oscillation in solid-state lasers。請(qǐng)闡述固體激光器形成馳豫振蕩的物理過(guò)程。產(chǎn)生持豫振蕩的主要機(jī)理

8、：1) 當(dāng)激光工作物質(zhì)被泵浦，激光上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度超過(guò)域值條件時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，發(fā)射激光。2) 隨著激光的輸出，激光上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量消耗，導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)下降，當(dāng)?shù)陀谟蛑禃r(shí)，激光振蕩停止。3) 由于光泵的繼續(xù)抽運(yùn)，上能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)數(shù)重新積累，當(dāng)再次超過(guò)域值時(shí)，又產(chǎn)生第二個(gè)脈沖，4) 如此不斷重復(fù)，直至泵浦結(jié)束。2. In Q-switching, we have two approaches to achieve energy storage: by the gain medium and by photons in the cavity. Please describe th

9、eir principles and differences.調(diào)Q技術(shù)有增益介質(zhì)儲(chǔ)能和光子儲(chǔ)能，請(qǐng)簡(jiǎn)述它們的原理和區(qū)別。a.激活介質(zhì)儲(chǔ)能當(dāng)光泵的能量被激光介質(zhì)吸收后，使激活離子貯存在激活介質(zhì)的高能態(tài)上（該能級(jí)有一定的壽命）。不產(chǎn)生激光輻射，從而使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，滿足的條件：Gd。Dn達(dá)到最大值，增益達(dá)到最大，而d很大，閾值高，滿足Gmaxd,Q值低,激光不振蕩。b.光子儲(chǔ)能：激活介質(zhì)諧振腔組合儲(chǔ)能先使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值 ,但滿足Gmaxd。然后使GmaxPRM PRM振蕩與輸出同時(shí)進(jìn)行，PTM先振蕩，腔內(nèi)儲(chǔ)存光能后再輸出。脈沖寬度：PTMe相位匹配時(shí)的相位匹配角。例題：定

10、量的估算一下環(huán)境溫度變化對(duì)相位差的影響程度。實(shí)驗(yàn)表明KDP的折射率溫度系數(shù) 該溫度系數(shù)雖小，但對(duì)位相差確有很大影響。設(shè)晶體長(zhǎng)3cm，入射光波長(zhǎng)600nm, 溫度變化1C時(shí)，引起的相位差是多少？解：當(dāng)變化1度時(shí)，電光效應(yīng):調(diào)制晶體在外加電場(chǎng)作用下，其折射率發(fā)生變化，當(dāng)光波通過(guò)介質(zhì)時(shí)，傳輸特性受到影響而改變。電光調(diào)制能實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的相位、頻率、偏振態(tài)、強(qiáng)度等的控制，并已有光調(diào)制器件、光偏轉(zhuǎn)器、光濾波器。電光調(diào)制：利用晶體的電光效應(yīng)，沿晶體某一方向施加外電場(chǎng)，使晶體內(nèi)部折射率發(fā)生變化，從而使經(jīng)過(guò)晶體的光傳播特性發(fā)生變化。電光效應(yīng)分類：（1）線性電光效應(yīng)（pockels效應(yīng)）（2）二次電光效應(yīng)（kerr

11、效應(yīng)）一次電光效應(yīng)分為縱向、橫向電光效應(yīng)。縱向電光效應(yīng)：光波矢方向與外加電場(chǎng)方向一致。(考)橫向電光效應(yīng)：光波矢方向與外加電場(chǎng)方向垂直?？v向電光效應(yīng)：，當(dāng)，稱為半波電壓。橫向電光效應(yīng)：光偏振狀態(tài)變化：（1） 晶體不加電壓，通過(guò)晶體后的合成光仍是線偏振光，且與入射光的偏振方向一致。該晶體相當(dāng)于“全波片”。（2） 晶體加電壓 ，合成光變?yōu)橐粋€(gè)圓偏振光，相當(dāng)于“1/4波片”。（3） 晶體加電壓，是合成光為線偏振光，而偏振方向相對(duì)于入射光旋轉(zhuǎn)了2q角，相當(dāng)于“半波片”。電光強(qiáng)度調(diào)制：輸出光強(qiáng)度，假設(shè)電壓為交變電壓，模式色散：不同模式之間的傳輸常數(shù)不同，占主要成分。材料色散：材料的折射率對(duì)波長(zhǎng)不是常數(shù)，

12、光傳輸?shù)乃俣炔煌▽?dǎo)色散：光脈沖具有一定的譜線寬度，傳輸模的傳輸系數(shù)隨光頻改變。磁光效應(yīng)：當(dāng)某些物質(zhì)外加磁場(chǎng)時(shí)，這種物體對(duì)外顯現(xiàn)出磁性；當(dāng)光波通過(guò)這種磁化物體時(shí)，其傳播特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)：當(dāng)一束線偏振光在外加磁場(chǎng)的作用下的介質(zhì)中傳播時(shí)，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。塞曼效應(yīng)：一個(gè)發(fā)光原子系統(tǒng)置于磁場(chǎng)中，其原子譜線在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生分裂，此現(xiàn)象為塞曼效應(yīng)。蘭姆下陷：由于增益介質(zhì)的增益飽和，在激光器輸出功率P和頻率的關(guān)系曲線上，在中心頻率處輸出功率出現(xiàn)凹陷，這種現(xiàn)象稱為蘭姆下陷。蘭姆凹陷穩(wěn)頻原理：實(shí)質(zhì)：以譜線中心頻率v0作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光震蕩頻率偏離v0時(shí)，即輸出一誤差信號(hào)，通過(guò)電子伺服系統(tǒng)鑒別出偏離頻率的大小和方向，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)，從而把激光震蕩頻率自動(dòng)地鎖定在蘭姆凹陷中心處。模色散：不同模式之間的傳輸常數(shù)不同，占主要成分。材料色散：材料的折射率對(duì)波長(zhǎng)不是常數(shù)，光傳輸?shù)乃俣炔煌▽?dǎo)色散：光脈沖具有一定的譜線寬度，傳輸模的傳輸系數(shù)隨光頻改變。穩(wěn)頻定義： （書上為倒數(shù)形式）倍頻效率：1. 主動(dòng)鎖模(ns)：采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量的方法。如電光調(diào)Q，聲光調(diào)Q，.2. 被動(dòng)鎖模(ps):是采用可飽和吸收體改變激光脈沖過(guò)程的方法。3. 主+被動(dòng)鎖模(ps)：在諧振腔