发布时间 : 星期六 文章北工大光电子课程复习讲义更新完毕开始阅读
王XX整理
Homework 1：
1. Please illustrate the physical processes involved in the formation of relaxation oscillation in
solid-state lasers。请阐述固体激光器形成驰豫振荡的物理过程。
产生持豫振荡的主要机理：
1) 当激光工作物质被泵浦，激光上能级的反转粒子数密度超过域值条件时，腔内光子数密
度增加，发射激光。
2) 随着激光的输出，激光上能级的反转粒子数大量消耗，导致粒子反转数下降，当低于域
值时，激光振荡停止。
3) 由于光泵的继续抽运，上能级粒子数反转数重新积累，当再次超过域值时，又产生第二
个脉冲，
4) 如此不断重复，直至泵浦结束。
2. In Q-switching, we have two approaches to achieve energy storage: by the gain medium and
by photons in the cavity. Please describe their principles and differences.调Q技术有增益介质储能和光子储能，请简述它们的原理和区别。 a.激活介质储能
当光泵的能量被激光介质吸收后，使激活离子贮存在激活介质的高能态上（该能级有一定的寿命）。不产生激光辐射，从而使反转粒子数达到最大值。实现这一过程，满足的条件：G 先使反转粒子数达到最大值 ,但满足Gmax 3. Please show that the maximum number of photons in the cavity of a Q-switched laser can be ?max?expressed as：which can be approximated as: ??nt1???n??n??nln?itt??n2??t2??????? ??nt??ni??max??1???4??nt? d?nA?2n1WP?2n2A??n?dtg?d??A????n????dt?g??解：d?n?n??2??dt?ntd???n????1????dt??n?t?；之后积分得光子数最大值。 两式相除：第二问：？ Homework 2： 5 / 11 王XX整理 1. Please describe the Q-switching process using double- and single-polarizer devices.请简述单 双偏振器调Q过程。 （双）第一阶段： V?/2 荧光经P2变成线偏光。偏振光通过KDP晶体，偏振方向旋转90度。因为P1//P2，从晶体出来的光不能通过P1，被P1反射掉。不能形成腔内振荡。相当于腔内光子的损耗很大，Q值很低，处于“关门”状态。 偏振光通过KDP晶体时分解为沿X和Y方向振动的振幅相等的两束光，两束光的振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播时，其合成的轨迹由两光的相位差来决定，当时，两束光合成为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原振动方向旋转90度。 第二阶段：V=0 脉冲形成阶段，Q开关完全打开 在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值nmax时，突然退去晶体上的电压，这时晶体又恢复了原来的状态，光在腔内形成振荡,输出巨脉冲。 （单）第一阶段：V=Vl/4 从YAG来的光通过P变成x(y)方向振动的线偏光，通过KDP后变成圆偏光（偏振面旋转45度），这束圆偏光通过全反射后第二次通过KDP，又变成线偏光，偏振方向和入射光的偏振方向成90度，不能通过P，无腔内振荡。相当于腔内光子的损耗很大，Q值很低，处于“关门”状态。 第二阶段：V=0 Q开关完全打开，处于“开门”状态。光在腔内形成振荡,输出巨脉冲。 2. Please describe the principles for Q-switching using a single tetragonal prism of electro-optical modulation crystal with double 45o vertex angles.请简述单块双45°电光调Q原理。 Vx=0，LN处于开启状态。 V= V?/2，双45°LN等效于在两个偏振起间加一块调制晶体，LN处于调Q关闭状态。 第一阶段：V= V?/2，e 光和e光均偏离原传播方向，高损耗，低Q，不能形成振荡。 第二阶段：V=0，Q增加到Qmax，反转粒子数减小到阈值，输出巨脉冲。 3. Please compare the two Q-switching techniques using PRM and PTM.请简述PTM和PRM调 Q区别。 ? 概念： PRM：由输出反射镜输出激光脉冲的调Q方式。 PTM：由腔内特定光学元件输出激光脉冲的调Q方式。 ② 输出方式： PRM的光输出方式为经过透反镜输出，PTM的光由腔内的特定光学器件输出。 ?效率： PTM>PRM PRM振荡与输出同时进行，PTM先振荡，腔内储存光能后再输出。 ④脉冲宽度：PTM ?储能方式：PRM工作物质(激活介质)储能，PTM谐振腔内光子储能。 Homework 3: 1. The oscillation linewidth（震荡线宽） of a mode-locked laser is ??=40 nm at FWHM. The cavity length（腔长） of this laser is 1.87 m. The laser outputs laser pulses at a center wavelength of （中心波长）λ0=800 nm with an average power（平均功率） of 1 W. 6 / 11 王XX整理 (1) Please calculate the period of the output pulse train（脉冲序列周期）, the pulse width（脉冲宽度） and the peak power of a single pulse（单脉冲峰值功率）. (2) Using active mode-locking by acouto-optical modulation and assuming the modulation of the electric field applied o, please find the value of wm. (Hint: for Gaussian pulses the product between the pulse width and frequency bandwidth is a constant of 0.441) 2. The output pulse intensity of a mode-locked laser can be expressed as: 2I(t)?A2(t)?E0锁模激光脉冲强度sin?N???t????/2?sin????t????/2? Where E0 denotes the amplitude of the electric field of each locked longitudinal mode, assuming that all longitudinal modes have equal amplitudes, N is the number of locked modes, Df and Dw are the frequency- and phase-difference between each two adjacent modes, respectively. The variation of the pulse intensity with time is depicted in the figure with tp denote the pulse width, L denote the cavity length, and c denote the velocity of light in vacuum. Please show that the pulse width can be evaluated by: tp=2L/Nc 3.Please describe the formation process of the ultrashort pulses in passive mode-locking using saturable absorbers（可饱和吸收体、被动锁模）. 线性放大阶段：初始的激光脉冲具有荧光带宽的光谱含量，脉冲总量很大。光脉冲通过染料可饱和吸收体时，对强脉冲吸收少，对弱脉冲吸收大。光脉冲通过工作物质时，产生线性放大，自然选模。 非线性吸收阶段：激光强脉冲使饱和吸收体呈现非线性吸收，即吸收体对强脉冲透明，强脉冲经过工作物质后增强，弱脉冲经染料吸收体而抑制 非线性放大阶段：由于粒子反转数的消耗，使得强激光脉冲经过激光物质时，前沿和中心部分得到放大，后沿得不到放大，再当脉冲通过饱和吸收体时，后沿被吸收，脉冲变窄。 第五章作业： 1. 说明选单模（横、纵）的意义和作用，给出几种选单横模、单纵模的方法。 意义：对激光谐振腔的模式进行选择，可进一步提高光束质量。 横模选择方法：（1）改变谐振腔的结构和参数: 使各模衍射损耗有较大的区别。（2）腔内插入附加的选模元件: 小孔光阑，棱镜，光栅等。 纵模选择方法：①色散棱镜法：在腔内插入色散棱镜②光栅法：光栅可代替棱镜(3)F-P标准具法④复合腔法；⑤环形行波腔；⑥利用Q开关 2. Nd玻璃激光工作物质，其荧光线宽为24.0nm，折射率1.50，若用短腔选单纵模，腔 长应为多少？（Nd玻璃激光器的工作波长为1.06um，假设激光工作物质充满腔长）。 7 / 11 王XX整理 答案：1.56×10-5m 3. 激光器的增益线宽为1500MHz，能有多少纵模存在?答案：2个 4. 第2题中，若在腔中插入一个F－P腔选单纵模，F－P腔的腔长为多少？答案： 23.4μm 第六章作业： 1。讨论提高倍频效率的方法。 （1）满足k1+k2=k3，使△k=0，达到匹配；（2）增加非线性系数deff；（3）适当增加L；（4）增加基频光强I1(0)。 2。试述实现倍频过程的相位匹配条件，并解释角度相位匹配的条件。 △ k=k2w-kw=0 → n1=n2 （1）两束基频光k1、k2和倍频光k3，使其满足k3=k1+k2； （2）对于非线性晶体，找到合适的入射角满足△k=0，实现相位匹配。 3。波长1.06微米的激光倍频实验中，采用BBO晶体做倍频晶体，折射率no1=1.655,ne1=1.539, no2=1.674,ne2=1.555,试求O+O->e相位匹配时的相位匹配角。 例题：定量的估算一下环境温度变化对相位差的影响程度。实验表明KDP的折射率温度系数 ?(n0?ne)/?T??1.1?10?5/0C 该温度系数虽小，但对位相差确有很大影响。设晶体长3cm， 入射光波长600nm, 温度变化1C时，引起的相位差是多少？ ?5?(n?n)??1.1?100e解：当变化1度时， ?? 电光效应: 调制晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，当光波通过介质时，传输特性受到影响而改变。 电光调制能实现对光波的相位、频率、偏振态、强度等的控制，并已有光调制器件、光偏转器、光滤波器。 电光调制：利用晶体的电光效应，沿晶体某一方向施加外电场，使晶体内部折射率发生变化，从而使经过晶体的光传播特性发生变化。 电光效应分类：（1）线性电光效应（pockels效应）（2）二次电光效应（kerr效应） 一次电光效应分为纵向、横向电光效应。 纵向电光效应：光波矢方向与外加电场方向一致。(考) 横向电光效应：光波矢方向与外加电场方向垂直。 13[(n0?ne)?n0?63E3]??22?d2?3?107nm?(n0?ne)???(?1.1?10?5)????600nm '(n1'?n3)d?2?2?d 8 / 11