光电子学导论复习

一、名词解释

1、光弹效应：在一定条件下，当外力或振动作用于弹性体产生热应变时，弹性体的折射率n 发生变化，呈现双折射性质，这种有内应力的透明介质中o 光和e 光折射率不相等，它与应力分布有关。这种现象即为光弹性效应。

2、横模、纵模：光场中振荡的光波模式可用

mnq

TEM 表示，其中m,n 表示激光束的横向分

布（空间）状态，即横模； 把由整数q 表示的且激频率满足2q cq

l νη=

的腔内纵向稳定光场

分布为激光的纵模。

3、2M 因子：即激光光束的质量评价因子，用于评价激光的横纵模分布。2

M 因子的定义可表述为：2M ⨯=

⨯实际光束的腰斑半径远场发散角基模高斯光束的腰斑半径基模高斯光束的远场发散角

，显然2M 越接近1，

光束质量越好。

4、模式竞争：不同纵模和横模的不同模式之间，由于增益介质的饱和效应，只允许增益最强的模式在腔内形成稳定振荡，同时由于轴向空间烧孔效应或由于不同的横模有不同的光场强度分布，使得不同模式可以利用工作物质中的不同空间位置的粒子反转数，从而形成激光场的多模振荡，即模式竞争效应。

5、高斯光束：通常情形，激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函

数，故称高斯光束。

22

2

[()a r c t a n (

)]

()

2

00(,,)()r r z

i k z w z z f

c

x y z e

e

z ω-

-+

-ψ=，式中c 为常数因子，

且222

r x y =+

2k π

λ=

()w w z == 其中：

0w 为基模高斯光束的腰斑半径。

二、简述题

1、工作物质的热效应：基本定义、分类、解决方法（举例说明）、主要产生原因？

答：工作物质的热效应：由于工作物质受到泵浦激励在工作过程中将大部分能量转化为热量的现象。 分类：

1、 温度梯度效应：

2、 热应力双折射、（光弹效应）：一定条件下，材料受到热作用，温度改变，几何尺寸改变，引起弹性热应变，弹性体折射率变化，引发双折射。

3、 热透镜效应（热梯度，热致双折射、端面热透镜）：由于晶体棒内部热梯度和热应变光弹效应造成折射率分布不均，总结果等效与一个正汇聚作用的透镜。

4、 端面膨胀引起的热透镜效应：不是有整根棒热膨胀不均匀引起的，而是端面局部区域内的长度应变造成的。

主要产生原因：

1、 激光工作物质的泵浦能量和荧光吸收带之间能量差通过无辐射跃迁散失到晶格中。

2、 荧光过程的量子效率小于1，包括激光跃迁在内，部分光子把能量转换到晶格中。

3、 泵浦激光谱大于激光工作物质的吸收谱。 消除方法：

消除热透镜效应的方法： 1、 冷却

液体：蒸馏水（加甲乙醇，去离子水、自来水） 空气：风冷

TEC ：紫、黄铜包裹—半导体制冷块、混合冷却 2、 光学补偿：

3、 工作物质中间加入波片，抵消双折射效应。

4、 工作物质的非常规加工：片状结构，增加表面积；

锯齿状结构，散热快。

2、常见激光器的主要荧光谱线是多少？

答：He —Ne 激光器的主要荧光波长是632.8nm3.39m μ 1.15m μ543nm ；2CO 激光器的主要荧光波长是10.6m μ；红宝石激光器的主要荧光波长是694.3nm ；掺3:Nd YAG +

激光

器的主要荧光波长是1064nm;掺铒光纤激光器的主要荧光波长1.55m μ； 3、描述激光激光线宽的三个参量之间的转换？

答：c

λν

=

c

v λ

=

2

v c

λλ∆=

∆

11()v c λ∆=∆ 2c v λλ

∆∆=

4、光子态、光子简并度、光波模式三者之间的关系？

答：满足麦克斯韦方程组，并且满足边界条件的稳定电磁场本征振动状态，称之为光波模式，光子态即光子的运动状态，光波为玻色子，不满足泡利不相容原理；同一光子态的光

λ/2

子平均数即光子简并度。光波模式与光子态是完全一致的概念，实质上是从光的波动性与粒子性两个方面来描述的，同一状态内的光子数，同一模式内的光子数，以及同一相干体积内的光子数是对光子简并度的几种相同描述。 5、半导体激光器的种类及基本特点？

答：半导体的种类：同质结半导体激光器、异质结半导体激光器、量子井半导体激光器和硅半导体激光器（电注入式、光泵式、高能电子束轰击式）

特点：加偏压形成电子———空穴能带分布，电子空穴对复合产生激光，电子分布满足能量最低原理，泡利不相容原理。通常采用电激励，体积小，重量轻，效率高，性能稳定，寿命长，功率高物质来源广，可光纤耦合输出，发光区从远红外到远紫外。缺点是能带间复合谱带宽，中心频率易受温度影响而漂移，并且光束质量差。 6、远场发散角的定义？

答：（1）定义在基模高斯光束强度为

2

1

e 点的远场发散角 2

100

2()2lim

0.6367z e w z z w w λλ

θπ→∞==≈；

（2

）定义在基模高斯光束的半功率的远场发散角2110

2

0.3757e w λ

θ=

≈。

三、计算

1、关于ABCD 矩阵的计算？

解：（1） 关于自再现模的ABCD 矩阵计算 如图

已知条件为

1M ,2M 的传输矩阵风别为为1

1

02

1R ⎛⎫ ⎪ ⎪- ⎪⎝⎭，21021R ⎛⎫

⎪ ⎪- ⎪⎝⎭

，1T ，2

T 的传输矩阵分别为

1

11

1A B C D ⎛⎫ ⎪⎝⎭，2

22

2A B C D ⎛⎫ ⎪⎝⎭

； 则光线从虚拟平面P 开始传输，经历一个往返之后的ABCD 矩阵为

22221

1112

2221

111211010D B A B A B D B A B =2211C A C D C D C A C D R

R

⎛⎫

⎛⎫

⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ ⎪ ⎪⎝⎭

⎝⎭