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首页 《光电子技术基础》课后习题答案

《光电子技术基础》课后习题答案.pdf

《光电子技术基础》课后习题答案

ju5200
2011-04-15 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《《光电子技术基础》课后习题答案pdf》,可适用于高等教育领域

    课后答案网用心为你服务!  大学答案中学答案考研答案考试答案 最全最多的课后习题参考答案尽在课后答案网(wwwkhdawcom)!Khdaw团队一直秉承用心为大家服务的宗旨以关注学生的学习生活为出发点旨在为广大学生朋友的自主学习提供一个分享和交流的平台。 爱校园(wwwaixiaoyuancom)课后答案网(wwwkhdawcom)淘答案(wwwtaodaancom) 第一章绪论光电子器件按功能分为哪几类?每类大致包括哪些器件?光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件。光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。.谈谈你对光电子技术的理解。光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术以光源激光化传输波导(光纤)化手段电子化现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征是一门新兴的综合性交叉学科。.谈谈光电子技术各个发展时期的情况。世纪年代光电子技术领域最典型的成就是各种激光器的相继问世。世纪年代光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现半导体激光器的成熟特别是量子阱激光器的问世以及CCD的问世。世纪年代出现了大功率量子阱阵列激光器半导体光学双稳态功能器件的得到了迅速发展也出现了保偏光纤、光纤传感器光纤放大器和光纤激光器。世纪年代掺铒光纤放大器(EDFA)问世光电子技术在通信领域取得了极大成功形成了光纤通信产业。另外光电子技术在光存储方面也取得了很大进展光盘已成为计算机存储数据的重要手段。世纪我们正步入信息化社会信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示都提出了严峻的挑战国家经济与社会的发展国防实力的增强等都更加依赖于信息的广度、深度和速度。⒋举出几个你所知道的光电子技术应用实例。如:光纤通信光盘存储光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。⒌据你了解继阴极射线管显示(CRTCRTCRTCRT)之后哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体?等离子体显示(PDP)液晶显示(LCD)场致发射显示(EL)。wwwkhdawcom第二章光学基础知识与光场传播规律⒈填空题⑴光的基本属性是光具有波粒二象性光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等。光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。⑵两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。两束光相长干涉的条件是为光程差。(,,,)mmδλ==±±LLδ⑶两列同频平面简谐波振幅分别为、位相差为则其干涉光强为EEφ两列波干涉相长的条件为cosEEEEφ(,,,)mmφπ==±±LL⑷波长的光经过孔径D的小孔在焦距f处的衍射爱里斑半径为。λfDλ⒉在玻璃上涂一种透明的介质膜以消除红外线的反射。(,)rrεµ==()mλµ=⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。⑵如紫外线垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上反射功率占入射功率百分()mλµ=之多少?⑴正入射时当时膜系起到全增透作用rnε==Gnnn=正入射下相应的薄膜厚度最薄为Gnnn==×=hmnλµ===×⑵正入射时反射率为()cos()sin()cos()sinGGGGnnnhnhnnnnnnnhnhnnnnππλλρππλλ−−=正()cos()cos()sinGGGnhnnnnnhnhnnnnπλππλλ−==⒊有两个具有共轭复振幅的单色波具有相同的频率其复值分别为及。比较它()Ur*()Ur们的强度、波前和波前法线。以平面波与球面波()()exp()xyUrAjk=−为例。()()exp()UrArjkr=−wwwkhdawcom平面波的强度,因波前可以是任意的曲面故它的波前()()exp()xyUrAjk=−IA=即为波前函数波前法线垂直于波前。()Ur它的共轭波的强度波前函数同样是该波的表达式波*()()exp()xyUrAjk=IA=前法线垂直于波前。球面波的强度为波前函数即该波表达式波前法线垂()()exp()UrArjkr=−()IAr=直于波前。它的共轭波的强度为波前函数即该波表达式波前法*()()exp()UrArjkr=()IAr=线垂直于波前。⒋光束垂直投射在无限大不透明的环状小孔(半径为aaaa和bbbba>>ba>>ba>>ba>>b)上发生夫琅和费衍射求光强度的角分布。dI见物理光学⒌一束波长为的光波以角从空气入射到电极化率为的介质表面上求mµj+⑴此光波在介质中的方向(折射角)。⑵光波在介质中的衰减系数。⑴n==n=由得sinsinnnθθ=sinθ=arcsinθ=⑵衰减系数()nrkπλ=−×−=×=×⒍输出波长=的HeNeHeNeHeNeHeNe激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnSZnSZnSZnS和形成λnmThF的这两种材料的折射率系数分别为和。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于%?设玻璃的折射率=由题意:即Gn()()PHHLGPHHLGnnnnnnnnnnλρ⎡⎤−⎢⎥⎢⎥=≥⎢⎥⎢⎥⎣⎦正即()()PP−≤−()P××≥故至少涂覆个双层。()P≥P=P≈⒎有mmmm个相距为dddd的平行反射平面。一束光以倾角投射反射面。设每一反射平面仅反射θwwwkhdawcom一小部分光大部分光投射过去又设各层的反射波幅值相等。证明时合成的sindλθ=反射波强度达到最大值这一角度称为BraggBraggBraggBragg角。θdddddddd因各辐射波的反射波幅值相等当它们反射波叠加相位依次相差的整数倍时合成π的反射波强度达到最大值最简单情况下相位相差。π如图所示:即故当时反射波强度达到最大值。sinkdθπ=sindπθπλ=sindλθ=⒏从麦克斯韦通式(-)出发推导波动方程(-)。对该式取旋度左边=BEt∂∇×=−∂()()EEE∇×∇×=∇∇−∇右边=(由)()Bt∂∇×−∂BHMµµ=()HMtµ∂=−∇×∂由上式sDDHJEJttσ∂∂∇×==∂∂()sDEJMttµσ∂∂⎡⎤=−∇×⎢⎥∂∂⎣⎦()sJDEMttttµµσµµ∂∂∂∂=−−−−∇×∂∂∂∂在电介质中一般有,从而于是上式可化为M=µµ=BHµ==()EE∇∇−∇sJDEtttµµσµ∂∂∂−−−∂∂∂=()sEPJEtttεµµσµ∂∂∂−−−∂∂∂wwwkhdawcom第三章激光原理与技术.填空⑴最早的电光源是炭弧光灯最早的激光器是年由美国家的梅曼制作的红宝石激光器。⑵光在各向同性介质中传播时复极化率的实部表示色散与频率的关系虚部表示物质吸收与频率的关系。⑶激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。⑷今有一个球面谐振腔r=m,r=m,L=cm,它属于稳定腔。.试简单说明以下光电子学术语的科学含义:⑴受激辐射(画出二能级图)处于激发态E上的原子在频率为υ的外界光信号作用下从E能级跃迁到E能级上在跃迁过程中原子辐射出能量为、与外界光信号处于同一状态的光子这两个hυ光子又可以去诱发其他发光粒子产生更多状态相同的光子这样在一个入射光子作用下就可以产生大量运动状态相同的光子这一发射过程称为受激发射过程。⑵谱线的多普勒加宽多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。⑶谱线的自然加宽自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。⑷光放大光束在激活介质中传播时设入射端面处光强为,距离x处光强为且()Iυ()Iυ则NNgg<可见光强在激活介质中不断()()()()()ddIgNNBhdtIgρυυυρυυ==−>放大为此我们引入激活介质的增益系数()Gυ()()()dIGIdxυυυ=式中是传播距离时的光强的增量。这说明:介质的增益系数在数值上等于光束强()dIυdx度在传播单位长度的距离时光强增加的百分数。由于因而所以()dIυ>()Gυ>()Gυ可以表示光在激活介质当中的放大特性。计算与推导⑴λ=μmmmm时什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等?T=KT=KT=KT=K时什么波长下wwwkhdawcom自发辐射率相等?自发辐射率为A受激辐射率为W。。()wBρυ=由爱因斯坦关系式可知:AhnBcπυ=由普朗克公式可知:()exp()hnhckTπυρυυ=−由题意A=W故exp()hkTυ−=lnln()()hhcTKkkυλ−−−××××====××××当T=K时ln()hckTλ−−××××===×××Mλ=×⑵HeNe激光器的反射镜间距为m求最靠近nm跃迁谱线中心的纵模阶数、纵模频率间隔。如果增益曲线宽度为Hz,则可能引起的纵模总数是多少?×气体的折射率n≈由得qcqnLυ=nLqλ−××===××纵模频率间隔qcHznLυ×===×××实际振荡纵模总数Tqqυυ⎡⎤⎡⎤×===⎢⎥⎢⎥×⎢⎥⎣⎦⎣⎦⑶红宝石激光器的工作物质有特性:、K处NNcm−=×n=,求其在中心频率处的增益()Hzgυυ≈=×ssτ−=×Hzυ=×系数。()Gυ⑷一维电子振荡器在电磁场E(t)作用下的运动方程如式(-)推导简谐电场与简谐振wwwkhdawcom子条件下复极化率的表达式。()χω电子运动方程为在简谐电场和简谐振子条件下则瞬时电dxdxmmxmeEdtdtωγ=−−−场与位置偏移为()Et()xt()()jtxtxeωω=()()jtEtEeωω=、表示对应于频率的振幅值将、代入运动方程并求解得()Eω()xωω()xt()Et()()()eExmjrωωωωω=−−在平面光波场作用下原子在光场作用下产生感应极化形成电偶极振子Re(())jtpexpeωω=−=设单位体积中原子数为N则介质极化强度()()()eEpmjrωωωωω=−Re(())jtPNpPeωω==()()()()()NeEPEmjrωωχωεωωωω==−又'''()()()()()PEjEωχωεωχωχωε⎡⎤==−⎣⎦()()Nemjrχωωωω=−.简述题⑴简述激光的特点。激光的特点主要表现在以下四个方面:①激光具有激光极好的方向性②激光的单色性非常好③激光的相干性好④激光具有极高的亮度和单色亮度。信息光电子技术中所用的光源着重单色性、高速脉冲性、方向性、可调谐性和高能量密度等。激光正是满足这些条件的最好的光源。⑵分析单色辐射场与连续辐射场与粒子体系相互作用情况。Ⅰ单色辐射场与粒子体系的相互作用如图-所示粒子线型函数为中心频率为谱线宽度为辐射场()gυυυυρ的中心频率为带宽为。单色辐射场与粒子体系相互作用过程要求粒子体系的展宽要'υ'υwwwkhdawcom远大于辐射场宽度即与间满足公式很小于是υ'υ'υυ>>'υ中被积函数只有在附近一个很窄的范围内不为零。且在()()()stdNNBgddtυρυυ∞−∞=∫'υ'υ内可以认为不便于是单色辐射场能量密度可表示为'υ()gυ''()()()ρυρυδυυ=−'''''()()()()()()()stdNNBgdNBgNWdtυρυδυυυυρυυ∞−∞=−==∫式中''''''''''''()()()()()()()sAcIIAcWBggggnhnhnhυυλυυρυυρυυυπυπυπυτ====(单位:)为光辐射强度。''()cInυρυ=Wm上式表明由于谱线宽度和粒子体系产生相互作用的单色光场的频率并不一定要精'υ确位于的中心频率处才能产生受激辐射而是在附近一定频率范围内均可跃迁概()gυυυ率的大小取决于单色光场中心频率相对于线型函数中心频率的位置-越小则'υυ'υυ越大当=时受激跃迁概率最大。这种相互作用不仅与、有关而且还与W'υυ'υρB有关。()gυⅡ连续辐射光场与粒子体系相互作用当连续辐射光场与粒子体系相互作用时(图-)满足条件于是'υυ>>中被积函数只有在附近很小的范围内(量级)才不为零()()()stdNNBgddtυρυυ∞−∞=∫υυ且内可以认为近似为常量于是υ'()ρυ()ρυ'()()()()()()stdNNBgdNBgdNBNWdtυρυυρυυυρυ∞∞−∞−∞====∫∫式中为连续辐射光场在粒子线型函数中心频率处的单色能量密度。()ρυυ可见连续辐射场中只有频率等于粒子体系中心频率的那部分辐射场才能引发粒子υ体系受激辐射其他部分实际上被粒子体系所散射。wwwkhdawcom⑶试推导爱因斯坦关系式。设一个原子系统有两特定能级、(<<<<)其简并度分别为、若原子系EEEEgg统在温度T处于热平衡状态、能级的原子数密度分别为、则原子系统从辐射EENN场中吸收能量后单位时间内从跃迁到能级的原子数为hυEE()NBNρυ∆=式中表示热平衡状态下光辐射场的能量密度。()ρυ处于上的原子可以通过自发辐射与受激辐射两种途径跃迁至上单位时间内EE的原子数为EE→N∆()NABNρυ∆=由于系统处于热平衡状态则应有以下关系式成立即NN∆=∆()()BNABNρυρυ=因而有()()NBNABρυρυ=又由于在热平衡状态下、按照玻尔兹曼分布NNexp()exp()NEEhgNKTKTgυ−=−=−式中K为玻尔兹曼常量。于是有()exp()ABghBBgkTρυυ=−在热平衡条件下光辐射的能量密度又可由普朗克公式给出()ρυ()exp()hnhckTπυρυυ=−式中为真空光速于是比较上述两式可知cBgBg=wwwkhdawcomAhnBcπυ=这即为爱因斯坦关系式。⑷为什么二能级系统不能产生激光?(画出二能级图)当外界激励能量作用于二能级体系物质时首先建立起自发辐射在体系中有了初始光辐射之后一方面物质吸收光使减少、增加另一方面由于物质NN中存在辐射过程使减小、增加两种过程同时存在最终达到=状态光吸收NNNN和受激发射相等二能级系统不再吸收光达到所谓的自发辐射状态这种状态下不再继N续增加即便采用强光照射共振吸收和受激发射以相同的概率发生也不能实现粒子数反转。⑸以一个三能级原子系统为例说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理。激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源、和光学谐振腔。激光工作物质提供形成激光的能级结构体系是激光产生的内因。要产生激光工作物质只有高能态(激发态)和低能态(基态)是不够的还至少需要有这样一个能级它可以使得粒子在该能级上具有较长得停留时间或较小得自发辐射概率从而实现其与低能级之间得粒子数反转分布这样得能级称为亚稳态能级。这样激光工作物质应至少具备三个能级。(画三能级图)如图所示其中E是基态E是亚稳态E是激发态。外界激发作用使粒子从E能级跃迁到E能级。由于E的寿命很短(Es量级)因而不允许粒子停留跃迁到E的粒子很快通过非辐射迟豫过程跃迁到E能级。由于E能级是亚稳态寿命较长(Es量级)因而允许粒子停留。于是随着E的粒子不断被抽运到E又很快转到E因而粒子在E能级上大量积聚起来当把一半以上的粒子抽运到E就实现了粒子数反转分布此时若有光子能量为hυ=E-E的入射光则将产生光的受激辐射发射hυ的光从而实现光放大。泵浦源提供形成激光的能量激励是激光形成的外因。由于在一般情况下介质都处于粒子数正常分布状态即处于非激活状态故欲建立粒子数反转分布状态就必须用外界能量来激励工作物质。我们把将粒子从低能态抽运到高能态的装置称为泵浦源或激励源。事实上激光器不过是一个能量转换器件它将泵浦源输入的能量转变成激光能量。主要有以下几种泵浦方式:①光激励方式②气体辉光放电或高频放电方式③直接电子注入方式④化学反应方式。光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高。不论哪种光学谐振腔它们都有一个共同特性那就是都是开腔即侧面没有边界的腔这使偏轴模不断耗散以保证激光定向输出。谐振腔分为稳态腔(低损耗腔)和非稳定腔(高耗散腔)两大类。⑹分析四能级与三能级激光器相比所具有的优点。(画四能级图)四能级系统能级结构如图所示由于到、到的无辐射跃迁EEEEwwwkhdawcom概率都很大而到、到的自发跃迁概率都很小这样外界激发使上的粒子EEEEE不断被抽运到又很快转到亚稳态而留不住粒子因而、很容易形成粒子数EEEEE反转产生=-受激辐射。四能级结构使粒子数反转很容易实现激光阈值很低。hυEE⑺分析激光产生的条件。激光产生的两个必要条件:粒子数反转分布和减少振荡模式数要形成稳定的激光输出还要满足起振和稳定振荡两个充分条件。粒子数反转分布指能级上的粒子数分布满足条件相应地有表示NNgg>()dρυ>光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时光能密度将不断增加。我们称这种状态的物质为激活介质。要想得到方向性很好、单色性很好的激光仅有激活介质时不够的这是因为:第一:在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生且传播一定的距离后就射出工作物质难以形成极强的光束第二激发处的光可以有很多频率对应很多模式每一模式的光都将携带能量难以形成单色亮度很强的激光。欲使光束进一步加强就必须使光束来回往复地通过激活介质使之不断地沿某一方向得到放大并减少振荡模式数目。由于光束在腔内多次的来回反射极少频率的光满足干涉相长条件光强得到加强频率得到筛选特别是在谐振腔轴线方向可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡而和轴线有较大夹角的光束则由侧面逸出激活介质不能形成激光振荡。光在谐振腔内传播时由于<<<<光在镜面上总有一部分投射损失且镜面和激活介R质总还存在着西都、散射等损失因而只有光的增益能超过这些损失时光波才能被放大从而在腔内振荡起来这就是说记挂更年期必须满足某个条件才能“起振”称这个条件为振荡阈值条件。往返一次光束强度变化过程为于是,,,LLIIGIIRIIGIIR====LIIRRG=如果则光束通过激活介质振荡一次后强度减小从而多次振荡后光强将不断II<衰减因而无法形成激光振荡若则随着振荡的不断进行光强逐渐加强形成有II>效的激光振荡。课件形成激光振荡的条件为II≥于是激光振荡必须满足的最起码条件为LRRG=由之可得增益的阈值为()lnthGRRLυ=−又()()()thgGNNKggυυ=−wwwkhdawcom于是由此还可推出激光振荡的反转粒子数阈值公式lnln()()()thgRRgRRNNgKLgAgLgπυλυ−=−=−理论和时间结果表明:当入射光强度足够弱时增益系数与光强无关是一个常量而当入射光强增加到一定成都时增益系数将随光强的增大而减小即应写为()Gυ。这种随着的增大而减小的现象称为增益饱和效应。它是激光器建立稳(,)GIυ(,)GIυI态振荡过程的稳定振荡条件。设想某种工作物质在泵浦作用下(无外加光场)实现了粒子数反转即NNNgg=−>当外加光强出现时感应了的受激发射和的受激吸收两种过程的概EE→EE→率相等(),由于因而的粒子数大于的粒子数其WW=NNgg<EE→EE→结果使新平衡下的反转粒子数变小由于外加光场越强造成粒子数NN<()Gυ()Iυ反转的减少就越严重因而随着往返振荡不断增大使得不断减小知道光所()Iυ()Gυ获得的增益恰好等于在激光腔内的损耗就建立了稳态的振荡形成了稳定的激光输出。⑻简述光谱线展宽的分类每类的特点与光谱线型函数的类型。一般来讲谱线展宽分均匀展宽与非均匀展宽两大类。①均匀展宽的特点是:引起均匀展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任一粒子对谱线展宽的贡献都是一样的不可能把线型函数某一特定频率与某些特定粒子相联系起来每个发光粒子都以洛伦兹线型发射。均匀展宽又包括自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。Ⅰ自然展宽是由于粒子存在固有的自发跃迁从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。由于它是粒子本身固有性质决定的自然存在的因而称为自然展宽。可见表达式具有洛伦兹型。Ⅱ()()()sNsgτυπυυτ=−()Ngυ碰撞展宽是由于气体中大量粒子无规则运动而产生的碰撞引起的谱线展宽。碰撞展宽分为两种情况。一种是当处于激发态的粒子与其他粒子和器壁发生非弹性碰撞从而将自己的能量传送出去回到基态。另一种是粒子发射的波列发生无规则相位突变而引起展宽。但此时粒子能量并不发生明显变化这种碰撞称消相碰撞。由于碰撞的随机性我们用平均碰撞时间来表征碰撞过程其线型函数也如同由随机自发跃迁所引起的自然展宽那样具有形式。Ⅲ热振动展宽是由晶格热振动引起的谱线展宽()()()cccgυυυπυυ=⎡⎤−⎢⎥⎣⎦wwwkhdawcom在固体激光物质中其量级远大于前两者晶格原子的热振动使发光粒子处于随时间周期变化的晶格场中引起能级振动导致谱线展宽这种展宽与温度关系最大但其线型函数解析式很难求常用实验来测知。②非均匀展宽的特点使粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。Ⅰ多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。多普勒展宽的线型函数Ⅱ残余应力展宽是固体激光物质内部残余应力引起()()()mcKTDcmgeKTυυυυυπ−−=的其中一种是晶格缺陷所致非均匀分布的缺陷引起不同位置粒子不同另一υ种是由物质本身原子无规则排列构成的。这类展宽的解析形式难以求证常用实验测定。⑼简述光与物质的非共振与共振相互作用过程对介电常量的影响。()DEPEEEεεχεχε===而由于极化机制不同包括谐振分量与非谐振分量于是χrχnχ'()()()nrrrDEEEEEEεεχεχεεχεεχευε====式中()nεεχ='()()rεευεχυε⎡⎤=⎢⎥⎣⎦可见光与物质的非谐振相互作用产生光的散射引起变成即散射过程造成了物εε质折射率而光与物质谐振相互作用使变成。nεε=ε'ε⑽激光器按激光工作介质来划分可分为几类?各举出一个典型激光器并给出其典型波长、转换效率、典型特点。按激光工作物质的类型有如下划分:⒈气体激光器根据气体激光工作物质的能级跃迁类型又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。原子气体激光器最常见的是HeNe激光器它发出的有的红光和、mµmµ两种红外光HeNe激光器输出功率较小(几mW到mW)能量转化效率较低mµ(%)氮气单色性好谱线宽度很窄频率稳定度高方向性好发散角小相干长度可达几十公里。离子气体激光器典型的有激光器它输出多种波长最强的是的蓝光和Armµwwwkhdawcom的绿光输出功率可达MW,最大功率可达W能量转换效率为千分mµcm之几其所需泵浦功率高需耗散很多热量。分子气体激光器中最具代表性的是激光器输出为的红外线其效率高达COmµ%输出功率近似与管子长度成正比。激光器的特点是:效率高、功率强、工作稳定、CO单色性好、波长适于光通信等。准分子激光器的工作物质为稀有气体与卤素气体的混合气体这是一类工作在紫外波长段的高效脉冲激光器。稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长不同。通常采用He、Ne将由数千帕的稀有气体合压力数百帕的卤素气体组成的混和气体稀释成数百千帕的混和气体作为激光工作物质所形成的激光器输出能量为数百微焦耳发光效率%重复频率数千赫兹。⒉液体激光器这种激光器又可分为无机液体激光器和有机液体激光器。其中最重要的一类是染料激光器其主要优点是:波长连续可调(调谐范围从紫外直到红外)、价格低、增益高、输出功率可与固体和气体激光器相比、效率较高、激光均匀性耗、制备容易、可以循环操作、利于冷却、典型的是若丹明G染料激光器。它在脉冲工作时的波长是nm平均功率是W效率为%。⒊固体激光器典型的例子有Nd:YAG(掺钕的钇铝石榴石激光器)。该类激光器可以脉冲工作也可以连续工作产生的跃迁中以的激光为最强。这类激光器的最大有点是受激辐射跃迁mµ概率大、泵浦阈值低、容易实现连续发射近几年向二极管激光器泵浦的全固态小型化方向发展转换效率可达%。⒋半导体激光器同质结半导体激光器的激光工作物质为由半导体材料构成的有源区:Ⅲ-Ⅴ族化合物如GaAsInP为直接带隙结构。具有输入您那过量最低效率最高体积最小重量最轻可以直接调制结构简单具有集成电路生产的全部优点价格低廉可靠性高寿命长。异质结半导体激光器由两种不同带隙的半导体材料薄层如GaAs和AlGaAs所组成。与同质结半导体激光器相比异质结半导体激光器具有有源层厚度薄阈值电流密度低、内部损耗低、电-光转换量子效率高、可通过改变混晶比调节输出波长等一系列优点。量子阱半导体激光器功耗更低、输出功率更高、发射光谱更纯、响应速度更快、波长覆盖范围更宽、更容易阵列化。AlGaAsGaAs量子阱激光器的波长是nm平均功率为W转化效率为-%。AlGaAsGaAs量子阱阵列激光器的波长为nm平均功率为W。⑾分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。同质结半导体与发光二极管的联系:正向偏压下大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧于是导带中存在电子而价带中不存在电子形成粒子数反转分布同质结半导体与发光二极管的区别:发光二极管的结构公差不严格而半导体激光器需要精确控制制造工艺以保证两个端面形成极为光滑平整且互相平行的光学谐振腔。当低于激光阈值时注入式激光器就像一个发光二极管无规律地发光当注入芯片的电流增大到某一量值时就会发生粒子数反转这时受激原子数目多于低能态原子从某些激发态原子自发地发出的光子与pn结的激发态电子相碰撞出发更多的光子发射出来形成受激发射。wwwkhdawcom⑿简述尖峰振荡效应过程。不加任何特殊装置的固体脉冲激光器在一次输出中激光脉冲的宽度大约时ms数量级。这个脉冲并不是平滑的而是包含宽度更窄的短脉冲系列其中每一个短脉冲宽度只在数量级并且激励越强短脉冲的时间间隔越小。这种现象称作迟豫振荡效应或尖峰振sµ荡效应。一个短脉冲的形成和消失可以由激光系统反转粒子数密度的增减变化来NNNgg=−解释。以氙灯泵浦为例光泵浦使系统增加且增加速率在一个短脉冲周期内可看成不N便受激复试使减小且减少速率因腔内光子数密度的多少而变化。这样可将一个Nφ短脉冲的形成过程分为四个阶段如图-所示:第一阶段()从时刻光泵浦开始的增长率占优势直到时刻ttttNtN达到阈值条件=而产生激光使激光器内光子数密度急剧增加受激辐射使NthNφN减少速率也逐渐便快但只要泵浦引起的增长率大于受激辐射引起的减小率仍在增加N直到时刻二者速率相等达到极值。tt=N第二阶段()>仍成立激光继续产生腔内光子数密度仍急剧增加ttNthNφ受激辐射造成的减少速率也继续增大超过泵浦引起的增长率开始减小直到NN时刻又回到阈值=。tt=NNthN第三阶段()之后增益小于损耗腔内光子数密度急剧减小tttthNN<但仍有即受激辐射大于零因而继续减少但减少速率便小直到时刻N>Ntt=增加速率等于减小速率达到极小值。N第四阶段()之后的增加率再次占优势直到时刻再次达到阈值tt=tNt将开始下一轮振荡。thN在整个氙灯泵浦时间内以上四个阶段不断重复形成了依稀类的尖峰结构而且泵浦越强尖峰形成越快尖峰时间间隔越小。⒀激光调Q技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级?调Q技术可以产生脉宽s量级、峰值功率MW量级的巨脉冲锁模技术可以产−−生量级的超短脉冲。s−−⒁常见的调QQQQ方法有哪几种?分别简述之。⒈转镜调Q技术将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上使其在每一转动周期中只有当两个反射镜面平行时损耗最小因而通过控制转镜从而控制光腔的反射损耗可达到wwwkhdawcom调Q目的。⒉染料调Q技术利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法称为染料调Q技术这种调Q开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的不直接受人控制属于被动调Q技术。染料对该激光器振荡波长的光有强烈的吸收作用且吸收系数随入射光的增强而不断减小。当染料盒插入谐振腔内时激光器开始泵浦此时腔内光强还很弱因而染料对光吸收强烈腔损耗很大Q值很低不能形成激光随着泵浦的继续亚稳态上离子越积越多腔内光强逐渐增大吸收逐渐减小Q值不断增大泵浦光大到一定值时染料对该波长的光变为透明称为染料漂白此时Q值达到最大相当于Q开关开启于是激光器输出一个强的激光脉冲。⒊电光调Q技术某些晶体经过特殊方向的切割后如果在某个方向上加电压就可以使通过它的偏光改变振动方向且外加电压的数值与振动放下嘎那的改变之间有一定的函数关系再辅以其他光学元件就可以构成一个快速光开关达到调Q目的。⒋声光调Q技术如图-所示声光器件在腔内按布拉格条件放置。当外加高频振荡的超声信号时光束沿布拉格角偏折从而偏离了谐振腔的轴向此时腔损耗严重Q值很低不能形成激光振荡但这一阶段光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累一定史家后瞬间撤销超高频振荡声场光无偏折地通过晶体Q值突然增大从而产生一个强的激光脉冲输出。⒂分别简述几种常见的激光锁模实现方法。激光器一般有多个不同的振荡模式他们本身是不关联、非相干的起振幅与相位彼此独立如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致则总光场是各个模式光场得相干叠加输出为一超短脉冲且残余相干得模越多不均于分布越尖锐则脉宽越窄、峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定得方法称为锁模相应得技术称为锁模技术。实现锁模的方法有很多大致分为一下几类:⒈主动锁模是一种内调制锁模通过在腔内插入一个电光或声光调制起实现模式锁定要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。⒉被动锁模类似染料被动开关把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结构激光器谐振腔环路中点使相反方向的两个脉冲精确同步地到达吸收体发生碰撞产生相干叠加效应从而获得有效锁模的碰撞锁模方式。⒊自锁模这是一种通过增益调制来实现锁模的方法。用一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一台激光器在两个激光器光腔长度相等的情况下激光器的增益收到调制在最大增益时形成一个脉冲更窄的序列脉冲输出这就是自锁模技术或称同步锁模技术。⒃激光选模技术分哪几类?采取某些手段限制参与振荡的模式数目有关技术称为激光选模技术一般分为四类:一是激光谱线选择二是激光偏振选择第三类时压缩振荡激光束的发散角、从而改善其方向性的横模选择技术第四类是用于限制振荡激光频数目的纵模选择技术。wwwkhdawcom第四章光波导技术基础⒈某光纤传输的波段为。若每一路电话带宽为每套彩电节目带宽MHzMHzMHzMHzmµkHz则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目?光纤传输的频率,故它传输波段为,cfλ=××f=×能传播的电话数目N×==××能传播的彩电数目N×==××⒉什么是光波导?平面介质光波导中几类模式各有何特点?光波导就是能使光低损耗传输的通道它将光限制在一定路径中向前传播减少了光的耗散便于光的调制、耦合等为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础。如图-和-所示:⑴ccθθθ>≥此时上、下界面均满足全反射条件。在满足相位匹配方程:cos(,,,)kndmmθδδπ−−==Lm的不同取值对应于横向驻波波节数每一个m值对应一个稳定的横向分布这种波导中稳定的场分布称为导波模式简称导模。这说明:并未满足的所有角入射的光ccθθθ>≥nθ场均可形成导波对于一定波长的光波只有满足上式的角入射的光波才可形成导波。即θ只有某些大于的()才能形成导波且m越大越小即小的入射角度相cθmθmcθθ>mθ应的模式阶次高z向单位长度内导模上下振荡次数多。⑵ccθθθ<<在、界面反射、界面投射光线向衬底辐射不再形成导波称为衬底辐nnnnn射模⑶cθθ<各面均不满足全反射条件光线在两个界面上都发生透射这种模式称为包层辐射模。⒊几何光学和物理光学在分析平面介质光波导中光传输时各自的出发点是什么?几何光学分析法从介质界面观点出发得出光波导的基本原理是光在介质表面的全反射。物理光学分析是从麦克斯韦方程出发分析电磁场在三层波导中

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