激光技術(shù)--藍(lán)信巨講解

1、第一章作業(yè)（激光技術(shù)-藍(lán)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(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，它所提供的直流偏置相當(dāng)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 相差為900）;使得調(diào)制器在透過率T=50%的工作點(diǎn)上。（2）.若旋轉(zhuǎn)1/4波片，會導(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

2、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？若入=0.628卩，門。=1.51，丫 63=23.6 X0 12m/V，計(jì)算其半波電壓，并與單塊晶體調(diào)制器比較之。解：為了使晶體對入射的偏振光的兩個分量的相位延遲皆有相同的符號，貝U 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 x z zx x z z y y y y.四塊晶體疊加后，每塊晶體的電壓為：11 入 10.62810-6V 入=V入？ 3=? =

3、966 v 3-124242n0 丫 63421.51? 23.6? 102'而單塊晶體得半波電壓為：入 0.62810-6V 入=3=3864 v 3122n0 丫 6321.51? 23.6? 102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(qiáng)有兩次強(qiáng)弱

4、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(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2章作業(yè)（激光技術(shù)-藍(lán)信鉅，103頁）1 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(shù)獲得高峰值功率巨脈沖的原理：因?yàn)榧す馕镔|(zhì)上能級最大粒

5、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(shè)法將激光器的閾值調(diào)的很高，抑制 激光振蕩的產(chǎn)生，使激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累，當(dāng)粒子數(shù)達(dá)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)損耗突變時記為t = 0,在此之前只是準(zhǔn)備了初始粒子數(shù)密度 n，t=0時, 泵浦功率將耗盡，粒子反轉(zhuǎn)數(shù) An達(dá)到最大值 n，受激光子數(shù)為零，即二i=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，An開始劇減，這一過程一

6、直持續(xù)到 n=A n（閾值），此時腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)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=hvm/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(jì)算下列問題： 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 對方向。（2）怎樣調(diào)整偏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(guān)效果？計(jì)算I/4波長電壓 V入/4 （匕25mm, n0= ne= 1.05, 丫解：（1）調(diào)Q激光器的結(jié)構(gòu)示意圖 偏振鏡的偏振軸和電光晶體各主軸的相對方向透反鏡氙燈偏振器1X1v i

7、i1T電光晶體 全反鏡1063=23.6 -<2 '加V）(2)欲使偏振器的電光調(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'由或y'由方向成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) 兩偏振光出射時的相位差，? © =2 n入 nO 丫 63V3，令?© =n /得至U V入 4V入/4入 1.0610-63(V)=9.69987? 1033-124nO 丫 6341.05? 23.6? 105當(dāng)頻

8、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=5.96 105cm/s)時，試計(jì)算波長為 入=1.06卩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sin 0 B=所以：0 B=0.1320入入=fs2n 入 s2lrtv06? 10cm? 40? 106/s=0.0023152? 1.54? 5.96? 10cm/s6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。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(yīng)為多大？(2) 聲光

9、器件要工作于布拉格衍射區(qū)，其聲場頻率應(yīng)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? 1Ps=1.26? L? Mw ?入?K? =37.4(W)? 2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P=37.4? 0.3=28.05(W)0.42s （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(yīng)該由判據(jù)來定，即 L> 2LQ 而 L0=X / 入=vs2/（fs2所以）;fs > 21/2vs

10、/L 入）1/2 > 37MHz> 21/2X 5.96 X(5Q510-1 為.06 10-4) 1/2第3章作業(yè)（激光技術(shù)-藍(lán)信鉅，142頁）3有一多縱模激光器縱模數(shù)是1千個，激光器的腔長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？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（3 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T=每個光脈沖的寬度 2L2? 1.5=1? 10-8（s）8c3? 10?t =11121.5=1? 10-11（s） 82N+1? u

11、 q100030光脈沖的峰值功率是平均功率的 2N + 1倍，P）=100Q?仁 1000（W） max=（2N+1（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(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），12 n 12 3.14? 3? 108 m= =? =3.14? 108 2?T22? 1.54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 osc=12 X 101,腔長L = 0. 5m,試計(jì)算激光器的參量；（1）縱模頻率間隔， u os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

12、沖間隔占有的空間距離。解：（1）縱模頻率間隔（2） u os內(nèi)可容納縱模的數(shù)目，c3? 108? u q=3 108（Hz）2L2? 0.5? u osc12 1010N'=400 ? u q3108(3)鎖模后脈沖的寬度?t =111邛2=8.3? 10(s) 82N+1? u q40030 鎖模后脈沖的周期T=(4) 鎖模脈沖占有的空間距離 2L2? 0.5-9=3.3? 10(s)8c3? 10 d1=c? t =c2L2 0.5=2.5? 10-3(m) (2N+1)c4002L=2? 0.5=1（m）c脈沖間隔占有的空間距離 d仁cT=c6在諧振腔中部L/2處放置一損耗調(diào)制器

13、，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/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(shù)-藍(lán)信鉅，169頁）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)態(tài)上的粒子在外來信號的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的受 激輻射。這種輻射疊加在外

14、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(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，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

15、間隔相等即固定為C/2L,使這些各自獨(dú)立的縱模在時間上同步，它們之間的相位有確定的關(guān)系。多個縱模之間會發(fā) 生功率耦合而不再獨(dú)立，每個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。17-3-23225. 個 YAG 激光放大器， NO = 6x10cm, c 1Z5X10m,對一矩形光 脈沖放大，已知光束截面是 0. 5cm，-19光子能量hu= 1. 86X0J，脈寬為10ns,能量為50

16、mJ,若要求放大到200mJ,試求放大介質(zhì)的長度應(yīng)為多少？解：已知 n0=6? 1023m-3, c 12=510-19cm2=5? 10-23m2,r =108s,s=0.5? 10-4m2 E 初 50? 10-329=5.376? 10 可得到初始光子流密度 10= -19-4-8h u s t 1?860? 0.5? 10? 10又因能量放大系數(shù)GE=E放大E初=4由公式GE=12(T 1210 t 2 c 1210 tc ?2?n0L+e-1? e? ?()將各參數(shù)值帶入上式，可得到4=1? 1+e2? 5? 10-23? 5.376? 1029? 10-8-1? e5? 10-23

17、? 6? 1023? L? ln? 2? 5? 1023? 5.376? 1029? 10-8?()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)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(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

18、，使之滿足r1r2(1-S 00)exp(GL)>1兩式則可以實(shí)現(xiàn)單橫模選擇的目的?？紤]到模式間的競爭，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(yīng)，工作物質(zhì)的增益將隨之降低，當(dāng)滿足條件r1r2(1-S 10)exp(GL)>1r1r2(1-S 00)exp(GL)=1時，振蕩趨于穩(wěn)定。此時其它橫模將因?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

19、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 XD= 24.0nm,折射率n= 1.50，若用短腔 法選單縱模，腔長應(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足? u q=c且 ? u d=c?入 D/ 入 2 2nL將？入D=24.0 nm n=1.50帶入上式可得-5L=1.5 K0 m5.臺紅寶石激光器，腔長 L=500 mm,震蕩線寬?vD=2.4 >1010 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

20、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?vm=?vD因?vm=c , n=1 2ndc3? 108-3 則 d=6.25? 10m 102n?vD2? 1? 2.4? 10（2）在標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜區(qū)，？vm=F?vt=F?2?vq而？vq=c 2nL?vm?vm?vD2.4 ? 1010所以，f=40 8c?vt2?vq3 ? 1022nL0.5又因?yàn)椋琻 R111F俎=+r2221-RFFrFp設(shè)Fp=50，由上2式得R=0.985如果直接用F=nR1-R=40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

21、小孔光闌，若腔長 L為 1m,激光波長 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34倍，即r/ a =或 4）。解：對于此種諧振腔，要求r a /（入L）=3將 r/ a =代入得：r = 0.3 > 3 入 L1/2 = 0.75nm將 r/ a =代入得：r = 0.3 > 4 入 L1/2 =0.87nm第6章作業(yè)（激光技術(shù)-藍(lán)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(diǎn)。答：蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)是：以譜線的中心頻率iD作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光振蕩頻率偏離uD寸，即輸出一誤差信號f通過伺服系統(tǒng)鑒別

22、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f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。G(v)jp (C)唏V氣V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(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u0處出現(xiàn)一個尖峰，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很好的穩(wěn)頻參