1、考試(kosh)時間：12月17日 19:0021:00考試(kosh)地點：思源樓411，412，座位安排(npi)：學號03211138-05231022在411教室，0523114406292044在412教室第一章作業（激光技術-藍信鉅，66頁）答案2在電光調制器中，為了得到線性調制，在調制器中插入一個14波片，（1）它的軸向應如何設置為佳? （2）若旋轉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，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的附加位相差為900)；使得調制

2、器在透過率T=50%的工作點上。 （2）. 若旋轉14波片，會導致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。當然調制器的工作點也偏離了透過率T=50%的位置。3.為了降低電光調制器的半波電壓，采用4塊z切割的KDP晶體連接(光路串聯、電路并聯)成縱向串聯式結構。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=0.628m，n。1.51，6323.61012mV，計算其半波電壓，并與單塊晶體調制器比較之。xyz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有相同的符號，則把晶體x和y軸逐塊旋轉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試設計一種實驗裝置，如何檢驗出入射光的偏振態(線偏光、橢圓偏光和自然光)，并指出是根據什么現象? 如果一個縱向電光調制器沒有起偏器，入射的自然光能否得到光強調制?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白色屏幕，轉動偏振片一周，假如有兩次消光(xio un)現象，則為線偏振光。b. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，轉動偏振片一周(y zhu)，假如光強有兩次強弱變化（但無消光現象發生）；則為橢圓偏振光。c. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，轉動

4、偏振片一周，假如光強沒有變化；則為自然光（或圓偏振光）。區分二者也不難，只需在偏振片前放置一個(y )四分之一波片（可使圓偏振光變為線偏振光，可出現a的現象）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；因而不能進行調制。第一章補充作業：a. 電光調制：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光調制。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、相位變化體現出來。b. 聲光調制：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制。調制信號是以

5、電信號(調輻)形式作用于電聲換能器上而轉化為以電信號形式變化的超聲場，當光波通過聲光介質時，由于聲光作用，使光載波受到調制而成為“攜帶”信息的強度調制波。c. 磁光調制：利用磁光效應把欲傳遞的信息轉換成光載波的強度(振幅)等參量隨時間的變化。與電光調制、聲光調制所不同的是，磁光調制是將電信號先轉換成與之對應的交變磁場，由磁光效應改變在介質中傳輸的光波的偏振態，從而達到改變光強度等參量的目的d. 直接調制：是把要傳遞的信息轉變為電流信號注入半導體光源(激光二極管LD或半導體二極管LED)，從而獲得已調制信號。由于它是在光源內部進行的，因此又稱為內調制，它是目前光纖通信系統普通使用的實用化調制方法

6、。e.空間光調制器：可以形成隨xy坐標變化的振幅(或強度)透過率A(x,y)A0T(x,y)或者是形成隨坐標變化的相位分布 A(x,y)A0Texpi(x,y) 或者是形成隨坐標變化的不同的散射狀態。顧名思義，這是一種對光波的空間分布進行調制的器件。它的英文名稱是Spatial Light Modulator(SLM)。第2章作業（激光技術-藍信鉅，103頁）說明利用調Q技術獲得高峰值功率巨脈沖的原理，并簡單說明調Q脈沖形成過程中各參量隨時間的變化。答：（1）利用調Q技術獲得高峰值功率巨脈沖的原理：因為激光物質上能級最大粒子反轉數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

7、始泵浦初期，設法將激光器的閾值調的很高，抑制激光振蕩的產生(chnshng)，使激光上能級的反轉粒子數大量積累，當粒子數達到最大時，然后突然調低閾值，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)過程中各參量隨時間的變化：以腔內損耗突變時記為t0，在此之前只是準備了初始粒子(lz)數密度ni，t=0時，泵浦功率將耗盡，粒子反轉數n達到最大值ni，受激光子數為零，即=i=0，經過一段時間受激輻射占優勢時，雪崩過程開始形成，開始急劇增長，n開始劇減，這一過程一直持續到n=nt（閾值），此時腔內光子數達到最大

8、值m。光子在腔內的壽命為tc，每個光子的能量為h，則激光的峰值功率Pm=hm/2tc。（此題畫出各參數隨時間變化示意圖然后分析各參數變化亦可）3有一帶偏振棱鏡的電光調Q YAG激光器，試回答或計算下列問題： (1)畫出調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效果?(3)計算l4波長電壓V/4 (l25mm，n0ne1.05, 63=23.610-12mV)。解：（1）調Q激光器的結構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方向xyzxy(2)欲使偏振器的電光

9、調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，調節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，令得到(d do)，5當頻率(pnl)fs=40MHz 的超聲波在熔凝石英(shyng)聲光介質（n=1.54）中建立起超聲場 (vs=5.96105cm/s)時，試計算波長為=1.06m的入射光滿足布拉格條件的入射角。解：根據布拉格方程有所以：6一個聲光調Q器件(L50mm，H5mm)是用熔融石英材料做成，用于連續YAG激光器調Q。

10、已知激光器的單程增益為03，聲光器件的電聲轉換效率為40，求(1)聲光器件的驅動功率PS應為多大? (2)聲光器件要工作于布拉格衍射區，其聲場頻率應為多少?解：（1）聲光介質用熔融石英MW1/106，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。聲光介質中超聲場的尺寸H5mm，L=50mm，衍射效率為1時所需的功率 單程增益為0.3，聲光轉換效率為40%時，聲光器件的驅動功率（2）聲光器件要工作于布拉格衍射區，其聲場頻率的大小應該由判據來定，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(zuy)（激光技術-藍信鉅，142頁） 3有一多縱模激光器縱模數是1千個，激光器的腔長15m，輸出(shch)的平均功率為1w，認為(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) 采用聲光損耗調制元件鎖模時，調制器上加電壓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）電壓的調制頻率的一半，與相鄰縱模的頻率間隔相同的時候可實現調制（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(熒光譜線中能產生激光振蕩的范圍) osc=121010Hz，腔長L05m，試計算激光器的參量；(1)縱模頻率間隔，(2) osc內可容納縱模的數目；(3)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（2）osc內可容納縱模的數目，（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處放置一損耗調制器，要獲得鎖模光脈沖，調制器的損耗周期T應為多大? 每個脈沖的能量與調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，調制器的損耗周期T應為L/c。與調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（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。其主要區別是激光放大器（行波）沒有諧振腔。工作物質在光泵浦的作用下，處于粒子數翻轉狀態，當從激光振蕩器產生的光脈沖信號通過它時，由于入射光頻率與放大介質的增益譜線相重合，故激發態上的粒子在外來信號的作用下產生強烈的受激輻射。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，要求放大介質有足夠的翻轉粒子

14、數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，功率是按指數規律增加，而在后沿，增益趨向飽和。結果就引起脈沖形狀變尖，寬度變窄。與鎖模壓窄脈寬區別：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。多個縱模之間會發生功率耦合而不再獨立，每個模的功率是所

15、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，N061017cm-3，12510-23m2，對一矩形光脈沖放大，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，試求放大介質的長度應為多少?解：已知可得到初始光子流密度又因能量放大系數由公式(gngsh)將各參數值帶入上式，可得到(d do)由上式可得，L=0.07888m

16、第5章作業（激光(jgung)技術-藍信鉅，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而起振。諧振腔中有兩種不同性質的損耗，一種是與橫模階數無關的損耗；另一種是與橫模階數密切相關的衍射損耗，在穩定腔中，基模的衍射損耗最小，隨著橫模階數的增高，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橫模選擇的物理基礎，適當選擇菲涅爾數N的值，使之滿足兩式則可以實現單橫模選擇的目的。考慮到模式間的競爭，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

17、勢。一旦基模首先建立振蕩，就會從激活介質中提取能量，而且由于增益飽和效應，工作物質的增益將隨之降低，當滿足條件時，振蕩趨于穩定。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。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，其熒光線寬D24.0nm，折射率n1.50，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主要由工作物質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 m5一臺紅寶石激光器，腔長L=500 mm，震蕩線寬=2.41010 Hz，在腔內插入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，則在震蕩線寬內只有一縱模，即標準具兩透過率的極大值間隔因 ， n=1則 （2）在標準具的自由(zyu)光譜區，而 所以(suy)，又因為(yn wi)， 且 設 ，由上2式得R=0.985 如果直接用得到的結果是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，激光波長為6328nm。為了只讓T

19、EM00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/=3或4)。解：對于此種諧振腔，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（激光技術-藍信鉅，217頁）比較蘭姆凹陷穩頻與反蘭姆凹陷穩頻的異同點。答：蘭姆凹陷穩頻的實質是：以譜線的中心頻率D作為參考標準，當激光振蕩頻率偏離D時，即輸出一誤差信號通過伺服系統鑒別出頻率偏移的大小和方向，輸出一直流電壓調節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(ky)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)在0處出現一個(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很好的穩頻參考點。蘭姆凹陷穩頻是利用激光本身的原子躍遷中心頻率作為參考點，而原子躍遷的中心頻率易受放電條件等影響而發生變化，所以其穩定性和復現性就受到局限。反蘭姆凹陷穩頻是采