光电子技术,习题解答

1. 什么是光电子技术？当前光电子技术备受重视的原因是什么？
答：光电子技术是研究从红外波、可见光、X射线直至γ射线波段范围内的光波。

电子技术，是研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用的科学。

因为光电子技术的飞速发展，使得光电子技术逐渐成为高新科学技术领域内的先导和核心，在科学技术，国防建设，工农业生产、交通、邮电、天文、地质、医疗、卫生等国民经济的各个领域内都获得了愈来愈重要的应用，特别是正逐渐进入人们的家庭，因此光电子技术备受重视。

2. 什么叫光的空间相干性？时间相干性？光的相干性能好差程度分别用什么衡量？它们的意义是什么？
答：空间相干性是指在同一时刻垂直于光传播方向上的两个不同空间点上的光波场之间的相干性，空间相干性是用相干面积Ac来衡量，Ac愈大，则光的空间相干性愈好。

时间相干性是指同一空间点上，两个不同时刻的光波场之间的相干性，用相干时间
t c=L c／c来衡量，t c愈大，光的时间相干性愈好。

3. 世界上第一台激光器是由谁发明的？它是什么激光器？它主要输出波长为多少？
答：1960年5月16日、美国梅曼博士、红宝石激光器、6943Å。

4. 自发辐射与受激辐射的根本差别是什么？为什么说激励光子和受激光子属同一光子态？答：差别在有没有受到外界电磁辐射的作用；因为有相同的频率、相位、波矢和偏振状态。

5. 为什么说三能级系统实现能态集居数分布反转要比四能级系统困难？
答：因为三能级系统的上能级为E2，下能级为E1，在E2上停留的时间很短，而四能级系统在E3上呆的时间较长，容易实现粒子数反转。

6. 激光器的基本组成有哪几部分？它们的基本作用是什么？
答：组成部分：工作物质、泵浦系统、谐振腔
工作物质提供能级系统、泵浦源为泵浦抽运让粒子从下能级到上能级条件、谐振腔起正反馈作用
7. 工作物质能实现能态集居数分布反转的条件是什么？为什么？对产生激光来说，是必要条件还是充分条件，为什么？
答：工作物质要具有丰富的泵浦吸收带，寿命较长的亚稳态，要求泵浦光足够强；必要条件，因为它还以kkk谐振腔内以提供正反馈。

8. 光学谐振腔有稳定腔和非稳腔之分，非稳腔是不是指工作状态不稳定的腔？为什么？答：不是，满足0<g1g2<1的共轴球面腔为稳定腔，其特点是任意傍轴光线在腔内可往返无限多次，即在腔内传播的傍轴光线的几何损耗为零；满足g1g2>1或g1g2<0的腔都称非稳腔，非稳腔的特点是，傍轴光线在腔内经有限次往返后必从侧面逸出腔外，因而具有较高的几何损耗。

9. 给定一个光学谐振腔的几何尺寸R1、R2和L，如何判别它属哪一类型腔？
答：由谐振腔系数g, g1=1-L／R1，g2=1-L／R2判别。

0<g1g2<1（稳）g1g2>1或g1g2<0（非）g1g2=0或1（临界腔）
10. 光学谐振腔有哪两种重要作用？如何说明这两种作用？
答：①正反馈作用：通过谐振腔的结构类型
②控制振荡光束的作用：谐振腔模式：纵模和横模，对入射光频率具有选择性。

11. 什么是能级的基态和激发态？何为辐射跃迁和无辐射跃迁？
答：基态是指体系中能量最低的态，处于基态的原子运动最稳定；其它态称为激发态。

辐射跃迁是指在外界电磁辐射下原子有高能级向低能级跃迁的过程；无辐射跃迁是指原子自发地从高能级向低能级跃迁的过程，亦称为自发辐射跃迁。

12. 自发辐射系数，受激辐射系数和受激吸收的定义式，它们间有何关系?
答：自发辐射系数：A21=
受激辐射系数：
受激吸收系数：
关系：
13. 谱线宽度的定义？何为均匀和非均匀加宽？具体有哪几种？
答：原子的自发辐射发出的光并不是单一频率的单色光，具有一定的宽度，称为谱线宽度；自然加宽对每个原子来说都是一样，称为均匀加宽，非均匀加宽指由不同分子向谱线的不同频率发射引起的；均匀加宽有自然加宽和压力加宽；非均匀加宽有多普勒加宽。

14. 假设一对激光能级为E2和E1，相应的频率为ν，能级的粒子数密度为N2、N1
求：①当ν=300MHz，T=300K，N2／N1=？
②当λ=1μm，T=300K，N2／N1=？
③当λ=1μm，N2／N1=2，求T。

15. 今有一平凹腔，腔长L=80cm，凹R=150cm，验证它为稳定腔。

解：平凹腔，R1=∞，g1=1-L/R1=1 R2=150cm，则g2=1-L/R2=1-80/150=7/15<1 0<g1g2<1，故为稳定腔。

16. Nd-YAG激光器的1.0um荧光谱线宽度是1.95×109Hz，若激光腔长为1.5m，问激光器能有几个激光振荡，设折射率u=1
解：
17. 产生激光振荡的频率，其振荡模式（纵）取决于什么条件？
答：
18.
19. 某高斯光束腰斑大小W 0=1.14mm ，λ=10.6um ，求与束腰相距30cm ，10m ，1000m 处光斑大小W 及波前曲率半径R 0。

解：f=λπω2=62310
6.101014.114.3--⨯⨯⨯）（=0.385m ωz =ω0[1+（f z ）2]1/2=1.1432
2
310445.1385.01030110---⨯=⨯+⨯⨯）（ 同理：可得z=10m ，1000m 是，ωz 分别为0.0296m ，2.96m
R z =z+z
f 2
，R z 分别为0.794m ，10.01m ，1000.001m 20. 激光有何基本特性？
答：单色、相干、方向性和高亮度。

21. 试列出几种激光器的下述性能：激活粒子、工作中心波长、工作能级系统、
红宝石激光器 +3r C 0.6943um 三能级 闪光灯泵浦系统 低温下连续 N d Y AG N d 3+ 1.06um 四能级 高效脉冲 灯 室温下连续 He-Ne Ne 0.6328um 四能级 放电 连续运转 Co 2 Co 2 10.6um 、9.6um 四能级 放电 连续运转 A r + A r + 4880 Å、5145 Å 四能级 放电 脉冲
N 2 N 2 3371 Å 四能级 放电 脉冲
染料分子 染料分子 四能级 脉冲泵浦 脉冲连续
22. 在H e -N e 、Co 2激光器中，充以He 、Ne 气的作用是什么？
答：在He-Ne 激光器中充以He 气主要起提高Ne 原子泵浦速率的辅助作用，在Co 2激光器中充以He 气作用：①可加速Co 2分子在（010）能级的热弛豫速率，有利于激光下能级上的粒子数抽空；②可利用He 气导热系数大的特点，实现有效传热。

充入N 2的作用是提高Co 2分子的泵浦速率，为Co 2激光器高效运转提供可靠的保证。

23. 以红宝石激光器与N d -YAG 激光器为例，具体阐述四能级系统达到粒子反转阈值条件比三能级系统低。

答：要达到粒子数反转，三能级要求 n 2t =
2n n 1+∆ 、四能级 n 3t =Δn t
红宝石激光器是三能级系统；Nd-YAG 激光器是四能级系统。

对于红宝石激光器： N 2=8.4x1018/cm 3 N 2/N 0=53%
对于 Nd-YAG ： N 3=1.8x1018/cm 3 N 3/N 0=0.13%
24. 简述红宝石激光器（6943 Å）和Nd-YAG （1.06um ）激光形成过程
答：红宝石：闪光灯泵浦时有很多成分（4100~5500 Å），Cr 3+吸收4100~5500 Å的光跑到4F 1，4F 2的能级再经无辐射跃迁到E 2，又因E 2处于亚稳态（τ=3×10-3s ），则粒子在E 2积累，积累到满足以实现粒子反转产生激光R 1（6943 Å）与R 2（6929 Å）的荧光效率比为7：5，所以R 1竞争荧光强输出、产生激光输出后又从E 3得到补充，W 1+N 2=N 0（1.58×1019/cm 3） N 2=8.4×1018cm -3>2
0N 25. 详细论述He-Ne 激光器激发原理，并给出有关方程
答：当He-Ne 管内的气体放电时，He 原子与高速电子碰撞，被激发到23s 1和21s 0上，进而，这些激发态He 原子通过共振能量转移过程，将处在基态的Ne 原子激发到3S 和2S 能级上。

当被激发到3S 和2S 能级上的Ne 原子数足够多时，会在3S 、2S 能级与3P 、2P 能级间产生粒子数反转通过受激辐射过程则可能产生He-Ne 激光。

相关方程如下：
①通过第一类非弹性碰撞，把He 原子从基态激发到激发态
He （11s 0）+e →He *（21s 0，23s 1）+e 1
②He 原子通过能量共振转移，将能量交给Ne 原子，将基态的Ne 激发到3s 、2s 态。

He *（21s 0）+Ne （1s 0）→Ne *（3s 2）+He （1s 0）-0.048eV
He *（23s 1）+Ne （1s 0）→Ne *（2s 2）+He （1s 0）+0.039eV
26. 今有两凹面镜组成谐振腔R 1=R 2=L=100mm ，激光波长λ=10-3mm ，求距光腰z=1000mm 的光斑半径和曲率半径，并求光束延长发散角（u=1）
解：∵R 1=R 2=L 故为对称共焦腔，则其光束腰斑大小 ω0=（
π
λ2L ）1/2=3.99×10-4m f=m 7.110101099.314.3332420=⨯⨯⨯=---）（λμπω 则 ωz =ω0[1+（f
z ）2]1/2=3.99×10-4[1+（1/1.7）2]1/2=4.629×10-4m R z =z+f 2/z=1+1.72/1=3.89m
θ=rad 1098.710
99.314.310446
0---⨯=⨯⨯=μπωλ
27. 叙述Co 2激光器的激发过程
答：①e+Co 2(000)→e 1+Co 2*(001)
②N 2(v=0)+e →N 2*（v=1）+e 1 N 2*（v=1）+Co 2（000）→Co 2*（001）+N 2（v=0） 通过上述两种过程有效地实现了Co 2分子在（001）能级上的粒子数积累，一旦实现（001）与（100）、（020）之间的粒子数反转，即可能通过受激辐射产生10.6um 和9.6um 两种波长的激光。

28. 染料激光器有何特点？
答：①输出激光波长可调谐
②激光脉冲宽度可以很窄，由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒量级
③输出功率大
④工作物质具有均匀性好等优良的光学性质。

29. 染料激光器主要的激发过程？
答：在泵浦光的照射下，大部分染料分子从基态s0激发到激发态s1、s2…上，其中s1态有稍长一些的寿命，因此，其它激发态的分子可很快地跃迁到s1态上，并很快跃迁到s1的最低能级，这些分子跃迁到s0态上较高的振动能级时，就发出荧光，同时很快地弛豫到最低的振动能级上，如果分子在s1和s0之间产生了粒子数反转，就可能产生激光。

30. 半导体激光器的特点？
答：①覆盖波长宽（0.33~34um）
②直接调制
③寿命长
④效率高
⑤小型化
31. 半导体激光器粒子反转分布条件及发射光频的表达式
答：条件：
表达式：（E F）n-（E F）p>hν=E g（ν=E g/h）
32. 光在晶体中的传播规律与光在各向同性介质中的传播规律有什么差别？什么叫双折射现象？有什么特点？
答：光在晶体中传播呈各向异性；双折射现象是指一束光入射到方解石晶体上，其出射光通常分成两束，这两束光在晶体中的传播方向不同。

特点：其中一束光遵从通常的折射定律，叫寻常光（O光），另一束光不遵从通常的折射定律叫非寻常光（e光），寻常光与非寻常光都是线偏振光，两者偏振方向互相垂直。

33. 什么是电光效应？有什么特点？
答：由外加电场引起晶体光学性质发生变化的效应称电光效应。

特点：是由感应双折射引起的，x’，y’方向的二偏振光的相位差与外加电压成正比。

34. 与无线电调制相比较，光调制有什么特点？简述KDP晶体纵向运用电光强度调制器的工作原理，并进行相关的推导。

答：特点：具有保密性好，抗干扰性强等优点
工作原理及推导：入射激光经起偏器后，成为振动方向平行于x轴的先偏振光，它在晶体感应主轴x’和y’方向上分量的幅度和相位均相等。

将位于晶体表面（z=0）的光场表示为：E x’（0）=A0e iwt E y’（0）=A0e iwt
则I i=EE*=2A02，当光通过长度为L的电光晶体后，x’和y’两分量之间就产生了相位差Δφ,若将输出场表示为E x’（L）=A0e iwt E y’（L）=A0e i（wt-Δφ），则由检偏器出射的光是该二分量在y轴上的投影之和，即：
用三角函数表示为I t=
35. 什么是非线性光学？与线性光学相比较它有什么特点？讨论非线性光学的应用。

答：光与物质相互作用的过程中物质的极化与光电场呈非线性关系的现象统属于非线性光学范畴。

特点：
广泛应用于倍频、混频及参量放大技术。

36. 激光技术中的Q 值定义及表达式，调 Q 基本原理，常用方法有哪几种？它们基本原理如何？
答：定义：Q=2πν0每秒钟损耗的激光能量
腔内贮存的激光能量 表达式： 原理：当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制激光阈值，使其很高，抑制激光振荡的产生，在这种情况下，由于光泵的激励，激光上能级将不断地积累粒子数。

当反转粒子数达到最大数量时，突然降低激光器的阈值，由于此时的反转粒子数大大超过激光器的阈值反转粒子数，在腔内将雪崩一样地，以极快的速度建立极强的激光振荡，在极短的时间内大量抽空激光上能级的粒子，同时输出一个极强的尖锐脉冲。

调Q 方法：①机械转镜调Q 技术 ②电光调Q 技术 ③声光调Q 技术 ④可饱和染料调Q 技术
工作原理：②电光调Q 技术：在调Q 晶体上施加λ／4电压，Y AG 上能级反转粒子不断积累，当达到最大时，撤掉λ／4电压，即可产生激光巨脉冲。

③声光调Q 技术：声光介质中通过超声波，由于超声光栅的作用，使光束衍射，工作物质在光泵浦的激励下，激光上能级的粒子数不断积累，并实现粒子数反转，当反转粒子数达最大时，突然撤除超声场，衍射效应消失，光路通畅，Q 值猛增，迅速形成激光振荡，输出激光巨脉冲。

④可饱和染料调Q 技术：利用有机染料的可饱和吸收特性。

37. 超短光脉冲有哪几种测量方法？
答：1、双光子荧光法 2、二次谐波法 3、直接测量法
38. 锁模激光器与自由运转多模激光器激光输出的根本差别是什么？由被动锁模激光器的锁模激光形成过程，说明锁模激光脉冲与调Q 激光脉冲的差别，锁模激光有何输出特性？ 答：锁模激光器是采取某种措施使各自独立起振的模式在时间上同步，即使其相位有确定的关系，因此，总光场是各个模式的相干叠加，自由运转多模激光器的各个振荡模式的振幅和相位是彼此独立的，随机的，所以实际总光场是各个模式光场的非相干叠加，锁模激光脉冲与调Q 激光脉冲的差别是所使用的染料特性不同。

输出特性：1、锁模激光器输出是间隔T=
C L 2的规则序列脉冲；2、该序列脉冲中的每个脉冲宽度为 τp =NC L N T 2 ，最小脉冲：τpmin =
3、
39. 试由碰撞锁模机理说明它为什么比通常的主、被动锁模激光器产生的脉冲更窄？
答：碰撞锁模的主要机制是在可饱和吸收染料内形成的空间“光栅”，在形成光栅的过程中，
由于染料吸收较大，两脉冲能量的前沿因吸收而被压缩。

光栅建立起来后，脉冲后沿通过染料时，会因收到后向散射而被压缩，这样两个压缩因素，使得脉宽压缩过程加快，从而获得比主、被动锁模窄的脉冲。

40. 由三波耦合基本方程出发，导出小信号倍频转换效率公式。

基本方程：
41. 倍频转换效率表达式及如何来提高倍频有效率、
答：η=ω
ωP P 2（同上题） 提高η的方法有：1、选非线性光学系数d 大的晶体；2、在腔外倍频中，采用聚焦，采用腔
内倍频，则更有力；3、相位匹配因子 F= =1时，转换率最大。

42. 光学元件反射器、光栅、F-P 标准具、偏振器、波片、滤光器的主要作用是什么？ 答：反射器：提供反馈和耦合输出；
光栅： 分光即将复色光分成单色光；
F-P 标准具： 选频和分光；
偏振器： 产生检验偏振光；
波片： 引入相位延迟，改变偏振光的输出特性；
滤光器： 只让某一波段范围的光通过，其余波长的光不能通过。