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mnqTEM 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 cql 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。

2M 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。

222[()a r c t a n ()]()200(,,)()r r zi k z w z z fcx y z eez ω--+-ψ=，式中c 为常数因子，且222r x y =+2k πλ=()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：cλν=cv λ=2v cλλ∆=∆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21e 点的远场发散角 21002()2lim0.6367z e w z z w w λλθπ→∞==≈；（2）定义在基模高斯光束的半功率的远场发散角211020.3757e w λθ=≈。

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11021R ⎛⎫ ⎪ ⎪- ⎪⎝⎭，21021R ⎛⎫⎪ ⎪- ⎪⎝⎭，1T ，2T 的传输矩阵分别为1111A B C D ⎛⎫ ⎪⎝⎭，2222A 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2222111122221111211010D B A B A B D B A B =2211C A C D C D C A C D RR⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭其中假定光线的传输回路为111222P T M T P T M T P →→→→→→→→ 并假定从左到右为正，从右到左为负。

即左到右1111A B C D ⎛⎫⎪⎝⎭，右到左1111D B C A ⎛⎫⎪⎝⎭(2) 关于激光在谐振腔中传输往返一次的ABCD 矩阵计算假定光线从()00,x y 点入射，则在谐振腔中往返一次以后的ABCD 矩阵应写为1210101122110101A B L L C D RR ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭⎝⎭ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭2、三能级、四能级系统的受激图（举例）三能级与四能级那个更容易形成激光振荡？解：四能级系统受激图：Wp ：单位时间内几台E 0上的粒子被泵浦抽运到泵浦带E 3上的几率。

W ij ：单位时间内粒子从能级i-j 的手机吸收或辐射跃迁几率。

A ij ：单位时间内粒子从能级i-j 的自发辐射跃迁的几率。

S ij ：单位时间内粒子从能级i-j 的无辐射跃迁的几率。

n i ：能级E i 上的粒子数密度。

n ：介质中总的粒子数密度。

W 12：laser四能级系统：He-Ne 激光器，CO2激光器，掺Nd 的工作物质，Ar +激光器。

E 3n 3E 2n 2E 1n 1E 0n 0三能级系统受激图：Wp ：单位时间内几台E 0上的粒子被泵浦抽运到泵浦带E 3上的几率。

W ij ：单位时间内粒子从能级i-j 的手机吸收或辐射跃迁几率。

A ij ：单位时间内粒子从能级i-j 的自发辐射跃迁的几率。

S ij ：单位时间内粒子从能级i-j 的无辐射跃迁的几率。

n i ：能级E i 上的粒子数密度。

n ：介质中总的粒子数密度。

W 12：laser三能级系统：红宝石激光器，掺Er +光纤激光器，N 2激光器。

因为四能级系统激光下能级粒子经过弛豫振荡跃迁到基态寿命很短，因而更容易形成粒子数反转，激光阈值底，而三能级系统激光下能级极为基态，阈值高。

因此、四能级系统比三能级系统更容易实现粒子数反转。

3、 利用ABCD 矩阵计算当高斯光束经过透镜变化后的光腰和其距离透镜的距离？ 解：如图所示设一光腰半径为0ω 的高斯光束入射到焦距为f 的透镜上，光腰距离透镜的距离为z 。

入射到透镜上式的光斑尺寸为ω，波阵面得曲率半径为R ，经透镜后的光斑尺寸为'ω ，光腰半径为'0ω，距离透镜的距离为'z ，波阵面曲率半径为'R则由透镜成像公式有'111R R f=- 用'l l q q 和分别代表高斯光束在透镜前和后的参量，则有E 3n 3E 2n 2E 1n 1211l i q R λπω=-，''211l i q R λπω=-将其代入上式，并利用'ωω=，我们可以得到'111l l q q f=- 最后我们再利用'''l l q q z q q z =-=+，将其代入上式，最终得到''''11z zz q z z f f Aq Bq Cq D q z f f ⎛⎫⎛⎫-++- ⎪ ⎪+⎝⎭⎝⎭==+⎛⎫-+- ⎪⎝⎭则有下列关系式成立'''111z A f zz B z z f C f z D f ⎧=-⎪⎪⎪=+-⎪⎪⎨⎪=-⎪⎪⎪=-⎪⎩至此，我们已经用ABCD 矩阵表示出了经透镜变化后的光腰的位置()2201R z z z πωλ⎡⎤⎛⎫⎢⎥=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦4、对比一般调Q 和腔倒空的区别与联系？答：一般的调Q 即工作物质储能调Q ，而腔倒空称为谐振腔储能调Q 。

区别在于：前者是在低Q 值时反转粒子储备，在高Q 值时，能量瞬间释放，就输出而言是通过谐振腔的输出反射镜向腔内反馈一部分光，同时向腔外透射一部分光强的方式来实现的。

而腔倒空当输出镜的透过率T=0时、低损耗高Q 值、光子数聚集，当输出镜的透过率T=100%，低Q 值，光子数输出，就输出方式而言犹如将腔内震荡的激光顷刻间全部倒出来。

联系是它们的实质都是首先使能量以一定形式储存起来，当能量储存到足够多时，使之快速释放，以获得激光巨脉冲输出。

5、电光晶体的分类，声光调Q 的定义是什么？ 答：电光调Ｑ是利用某些单轴晶体的线性电光效应，使通过晶体的光束的偏振状态发生改变，从而达到接通或切断腔内振荡光路的开关作用。

线性电光开关基本上又可分为两类：一类是利用型晶体的LiNbO3 （铌酸锂）纵向线性电光效应，即光束方向及外加电场方向均与晶体光轴同向；另一类是利用LiNbO3 （铌酸锂）KD*P(磷酸二氢钾）型晶体的横向线性电光效应， 即光束与晶体光轴同向，而外加电场方向与光轴及光束方向相垂直。

则相应的调Q 方式即为电光晶体的种类有横向电光调Q 和纵向电光调Q 。

声光调Q 是利用晶体的声光原理，以声光相互作用原理为基础。

当激光通过声光介质中的超声场时，折射率发生周期性的变化，使介质变成正弦相位光栅，从而发生衍射造成光的偏折，通过这种方法来控制激光的Q 值即声光调Q 。

6、关于平凹，平凸镜度数和曲率半径之间的关系？ 解：（1） 平凹镜 先给出以下的关系所以，对于透射式的平凹镜的传输矩阵为所以我们有对于透射和反射时透镜焦距和曲率半径有关系，分别为：（2） 平凸镜 透射时12100n n ⎛⎫ ⎪⎪ ⎪⎝⎭()2112210n n n n R n ⎛⎫⎪- ⎪ ⎪⎝⎭22221010********A B n n C D n R n R ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪==- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪⎝⎭⎝⎭1021R⎛⎫ ⎪ ⎪-⎝⎭反射时的传输矩阵R f=-2R 和f=212211121010101012A B n n n n C D n Rn n R ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪ ⎪==- ⎪ ⎪⎪ ⎪-⎝⎭ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭所以，焦距和曲率半径之间的关系为2f R =至此，我们已经将平凹镜和平凸镜的焦距和曲率半径之间的关系全部得出 至于计算度数和焦距、曲率半径的关系则只需借助光焦度的概念即可，即：1f P =100P =眼睛度数。