光电子技术作业解答

赖老师的课到期中考试为止一共有9次作业，依次分别由冯成坤、饶文涛、黄善津、刘明凯、郑致远、黄瑜、陈奕峰、周维鸥和陆锦洪同学整理，谨此致谢！

作业一： 1、桌上有一本书，书与灯至桌面垂直线的垂足相距半米。若灯泡可上下移动，灯在桌上面多高时，书上照度最大？（假设 灯的发光强度各向通性，为I0）

解：设书的面积为dA ，则根据照度的定义公式：

dA

d I dA d E 0Ω==

φ （1） 其中Ωd 为上图所示的立体角。 因而有： 2

/32222)h (L h dA h L cos dA d +⋅=+⋅=

Ωθ （2） 将（2）式代入（1）式得到： 2/3220)

h (L h I E += （3） 为求最大照度，对（3）式求导并令其等于零，

计算得：

因而，当高度为m 221

时书上的照度最大。 2、设He-Ne 激光器中放电管直径为1mm ，发出波长为6328埃的激光束，全发散角为?=10-3rad ，辐射通量为3mW ，视见函数取 V(6328)=，求：

（1）光通量，发光强度，沿轴线方向的亮度？

（2）离激光器10米远处观察屏上照明区中心的照度？

（3）若人眼只宜看一熙提的亮度，保护眼镜的透射系数应为多少？

解：（1）光通量：lm 49.010324.0638V K 3m v =⨯⨯⨯=Φ⋅⋅=Φ-θ 发光强度：cd 1024.64

d d I 52v v ⨯≈Φ=ΩΦ=θπ 亮度：2112

35m /cd 1059.7)10(4

1024.6dAcos dI L ⨯≈⨯⨯==-πθ轴 （2）由题意知，10米远处的照明区域直径为：

从而照度为：lx 9.6238)10(4149.0D 4E 2

22

v

=⨯⨯=Φ=-ππ

（3）透射率：8114

1026.110

95.710L 1T -⨯≈⨯==轴（熙提）

答：在白炽灯中充入卤族元素，在适当的温度下，从灯丝蒸发出的钨在泡壁区域内形成挥发性的卤钨化合物。当卤钨化合物扩散到较热的钨丝周围区域时分解，释放出来的钨沉积在灯丝上，而卤素扩散到温度较低的泡壁区域在继续与钨化合，形成钨的再生循环。

通过这种方法，是卤钨灯比白炽灯具有以下特点：体积小；光通量稳定；光效率高，20-30流明/瓦；；色稳高，达3300K ；；寿命长。 作业三

1、产生激光的必要充分条件？四能级激光器的工作阈值为何低？

解：

（1）、产生稳定激光输出地条件如下：

必要条件：至少为三能级体系，能够实现粒子数反转 。

充分条件：光学正反馈和大于阈值的泵浦功率。

（2）对于四能级系统（32E E →的跃迁），2E 能级几乎为空，即20N ≈，故有：

3E 能级布居数的衰减由14E E →的抽运补偿，有： 故其阈值抽运强度为：

32323214114321

()1th N N A N N I B N B N τ--≈=⋅ （1） 对三能级系统（21E E →的跃迁），在粒子数反转不大时，有：

能级2E 中的布居数的减少由13E E →的抽运补偿： 即： 21131321

1th A I B B τ== （2） 比较（1）、（2）两式，可发现四能级系统的抽运阈值多了一个激发因子：

321N N N -，而且3211N N N -<<。所以四能级系统的工作阈值远低于三能级系统。

2、何为激光的横模与纵模？

答：横模：指光束横截面上的能量分布。通常用横电模mn TEM 表示，其中00TEM 为基横模。

纵模：指激光器振荡的一个频率或该频率电磁波在谐振腔内形成的驻波的能量分布模式。它是由于谐振

腔的选频作用引起的。

3、比较红宝石激光器与Nd:YAG 激光器的性能？

解：如表：

输出波长 1.063μm ，倍频后可输出0.53μm 的光。 偏振特性 若激光不沿光轴方向则输出为线

偏光。偏振垂直于光轴，为o 光

泵浦特性

阈值较高，用脉冲氙灯，辅以椭

圆聚光腔。 因是四能级系统，阈值比红宝石低很多。常用氪灯泵浦，辅以椭圆聚光腔。因其阈值低，

故可高重复率运转，但要特殊设计的电路。 作业四

1．氦-氖激光器中如何实现0.6328 mm 波长输出？激光输出频率为何漂移？如何稳定？

答：（1）氦氖激光器的工作物质是Ne, He 作为辅助气体。气体以低压形式封装于玻璃管内。通过两端电极的高压作用产生辉光放电。高速电子激发He 原子由1S 到2S 态。He 的2S 态中的21S 态23S 态分别与Ne 的2S 和 3S 态能量非常接近，通过碰撞的形式引起能量的共振转移，使Ne 的2S 和 3S 态得到激发。当然Ne 本身也可以在高速电子激发下被激发至高能态。Ne 的受激发射可以发出3种波长：, , 。其中的增益最大。为实现的输出，需要利用玻璃或石英窗口吸收的辐射，从而对其进行抑制。亦可利用轴向非均匀磁场产生塞曼效应，使谱线加宽从而降低增益。

（2）由于激光器在工作过程中会受到各种环境因素的扰动，激光器本身的参数也相应地扰动。结果是使得由这些参数确定的频率发生漂移。例如：

由纵模Ln mc f /2=，N m ∈，n 为介质折射率，可得)//(n n L L f f ∆+∆-=∆.

（3）为实现稳频，可通过几方面的方法。

a. 利用低膨胀系数的材料制造腔管

b. 将谐振腔的腔镜固定在殷钢等低膨胀系数材料的支架上。

c. 防震，恒温等

d. 更高的频率稳定度可使用饲服系统，通过频率漂移的方向和大小对激光器的参数进行调控，使频率

稳定于参考标准频率附近的目的。

2. 何谓准分子？准分子激光的能级结构？为何准分子激光的频谱较宽？如何泵浦？

答：

（1） 准分子是一种束缚在电子受激态中的分子。它的基态位能无极小值，即没有稳定的基态，但却

存在稳定的受激态（亚稳态）。

（2） 能级结构如右图

（3） 虽然准分子的能级结构有利于形成粒子数反转，但由于基态的不稳定性，跃阡能量有一定的范围，频谱较宽。