光電信息綜合實驗復習范圍

1、光電信息綜合實驗復習范圍一、試卷題型： 判斷題（共10題，20分） 填空題（共10格，30分） 名詞解釋（共3題，24分） 簡答計算題（共2題，26分）二、考試時間：（60分鐘）2018年06月20日(第17周,星期三) 下午14:00-15:00 共計60分鐘。三、復習范圍：光電信息綜合實驗（一）復習范圍：實驗1 （包括引言） 激光器的構成；激光實驗的觀測方法；本課程所用激光器的特性。光學諧振腔、工作物質、激勵系統(tǒng)；用眼睛直接觀察（主觀觀察）、用光電探測器進行客觀測量；氦氖激光器：功率一般約數毫瓦，連續(xù)發(fā)光。因為制造方便、較便宜、可靠，所以使用較多。由于單色性好，相干長度可達數十米以致數百米

2、。半導體泵浦固體激光器：它具有效率高、體積小、壽命長等一系列優(yōu)點。補：常用的光電探測器有光電管、光敏電阻、光電池和CCD探測器等 泵浦耦合方式；端面泵浦耦合的方式；半導體泵浦固體激光器采用的泵浦方式。主要有端面泵浦和側面泵浦；直接耦合和間接耦合（組合透鏡系統(tǒng)耦合、自聚焦透鏡耦合、光纖耦合）；間接耦合（組合透鏡系統(tǒng)耦合） 課前預習題半導體固體激光器的特點；泵浦耦合方式有哪兩種？直接耦合和間接耦合方式的區(qū)別；間接耦合常見的方式有哪幾種？本實驗如何進行壓縮和耦合的？效率高、體積小、壽命長；端面泵浦和側面泵浦；直接耦合：將半導體激光器的發(fā)光面緊貼增益介質，使泵浦光束在尚未發(fā)散開之前便被增益介質吸收，泵

3、浦源和增益介質之間無光學系統(tǒng)，這種耦合方式稱為直接耦合方式。直接耦合方式結構緊湊，但是在實際應用中較難實現，并且容易對LD造成損傷。間接耦合：指先將半導體激光器輸出的光束進行準直、整形，再進行端面泵浦。；組合透鏡系統(tǒng)耦合、自聚焦透鏡耦合、光纖耦合；本實驗先用光纖柱透鏡對半導體激光器進行快軸準直，壓縮發(fā)散角，然后采用組合透鏡對泵浦光束進行整形變換，各透鏡表面均鍍有泵浦光的增透膜，耦合效率高。本實驗的壓縮和耦合如圖 1.1所示。圖 1.1 本實驗LD光束快軸壓縮耦合泵浦簡圖實驗2 本實驗使用的激光晶體是什么？具有哪些優(yōu)點？其吸收光譜圖有什么特點？（圖2.1）以Nd3+離子部分取代Y3Al5O12晶

4、體中Y3+離子的摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）；具有量子效率高、受激輻射截面大、光學質量好、熱導率高、容易生長等的優(yōu)點；Nd:YAG在807.5nm處有一強吸收峰圖 2.1 Nd:YAG晶體中Nd3+吸收光譜圖 如何將指示激光調平？如實物照片（圖2.2），將808nm半導體泵浦光源固定于諧振腔光路導軌座的右端，650nm指示激光器及調節(jié)架固定于導軌最左側；將“小孔光闌”放在650nm激光右側，調節(jié)指示激光器的二維平移旋鈕，使650nm指示激光束打在輸出鏡中心，將“小孔光闌”移動到導軌的最右側，調節(jié)指示激光器的二維俯仰旋鈕，使650nm激光束仍然照射到“小孔光闌”中心，反復幾次將指示激光調平。圖

5、2.2 指示激光器調節(jié)光路實物圖 課前預習題激光晶體的概念；Nd:YAG的吸收光譜有什么特點？如何將指示激光調平可將外界提供的能量通過光學諧振腔轉化為在空間和時間上相干的具有高度平行性和單色性激光的晶體材料。是晶體激光器的工作物質；······；······實驗3 端面泵浦的激光諧振腔形式（圖3.1）圖 3.1 端面泵浦的激光諧振腔形式 激光晶體作為輸入鏡，一面鍍什么膜？什么作為輸出鏡？一面鍍泵浦光增透和輸出激光全反膜；鍍輸出激光一定透過率的凹面鏡作為輸出鏡 如何才能容易獲得

6、基模輸出？如圖3.1所示，平凹腔中的g參數則表示為： 根據腔的穩(wěn)定性條件，時腔為穩(wěn)定腔。故當時腔穩(wěn)定。同時容易算出其束腰位置在晶體的輸入平面上，該處的光斑尺寸為：本實驗中，R1為平面，R2=200mm，L=80mm。由此可以算出大小。所以，泵浦光在激光晶體輸入面上的光斑半徑應該，這樣可使泵浦光與基模振蕩模式匹配，就容易獲得基模輸出。 課前預習題復習1064nm固體激光出光的調試方法；諧振腔的最佳輸出狀態(tài)如何選取？改變輸出鏡的透過率，固體激光模式、激光出光功率、轉換效率、閾值條件等會不會變化？ 改變腔長，以上各項會不會變化(1)如實物照片（圖2.4），將1064nm的“激光輸出鏡”置于激光晶體左

7、邊，輸出鏡的鍍膜面朝向激光晶體，中間預留出150mm160mm左右的距離，以備后面腔內還要插入其他器件。調節(jié)輸出鏡的二維俯仰旋鈕，使其反射的650nm的指示激光束光點返回到指示激光出光口內，關閉指示激光。圖2.4 激光輸出鏡調節(jié)光路實物圖（2）將半導體泵浦光源的電源旋鈕調節(jié)到1A，取出紅外顯示卡片放置到輸出鏡的左端并輕微晃動輸出鏡，使左側卡片上顯示出長條形光斑，微調輸出鏡的二維俯仰旋鈕，使得長條形光斑慢慢內縮，固定輸出鏡，再微調二維俯仰旋鈕，最后縮成一個圓形光斑。根據腔的穩(wěn)定性條件，時腔為穩(wěn)定腔。故當時腔穩(wěn)定。·······

8、·······；····················實驗4 本實驗采用的是什么倍頻晶體？具有什么特點？其最佳相位匹配角是什么？KTP晶體；在1064nm光附近有高的有效非線性系數，導熱性良好；最佳相位匹配角為：q=90°，f=23.3°，對應的有效非線性系數deff=7.36×10-12V/m。

9、 倍頻技術有哪兩種？分別具有什么特點？腔內倍頻、腔外倍頻；腔內倍頻是指將倍頻晶體放置在激光諧振腔之內，由于腔內具有較高的功率密度，因此較適合于連續(xù)運轉的固體激光器。腔外倍頻方式指將倍頻晶體放置在激光諧振腔之外的倍頻技術，較適合于脈沖運轉的固體激光器。 常用調Q方法有哪些？本實驗采用什么方法？優(yōu)點是什么？常用的調Q方法有電光調Q、聲光調Q和被動式可飽和吸收調Q；本實驗采用的Cr4+:YAG是可飽和吸收調Q的一種；它結構簡單，使用方便，無電磁干擾，可獲得峰值功率大、脈寬小的巨脈沖。 本實驗用的是哪種調Q晶體？其被動調Q的工作原理是什么？（簡述）Cr4+:YAG被動調Q的工作原理是：當Cr4+:YA

10、G被放置在激光諧振腔內時，它的透過率會隨著腔內的光強而改變。在激光振蕩的初始階段，Cr4+:YAG的透過率較低（初始透過率），隨著泵浦作用增益介質的反轉粒子數不斷增加，當諧振腔增益等于諧振腔損耗時，反轉粒子數達到最大值，此時可飽和吸收體的透過率仍為初始值。隨著泵浦的進一步作用，腔內光子數不斷增加，可飽和吸收體的透過率也逐漸變大，并最終達到飽和。此時，Cr4+:YAG的透過率突然增大，光子數密度迅速增加，激光振蕩形成。腔內光子數密度達到最大值時，激光為最大輸出，此后，由于反轉粒子的減少，光子數密度也開始減低，則可飽和吸收體Cr4+:YAG的透過率也開始減低。當光子數密度降到初始值時，Cr4+:Y

11、AG的透過率也恢復到初始值，調Q脈沖結束。 課前預習題常用的調Q方法有哪幾種？Cr4+:YAG被動調Q的工作原理是什么？什么是倍頻現象？常用的倍頻晶體有哪些？倍頻技術有哪兩種？·······；················；光波電磁場與非磁性透明電介質相互作用時，光波電場會出現極化現象。當強光激光產生后，由此產生的介質極化已不再是與場強呈線性關系，而是明顯的表現出二

12、次及更高次的非線性效應。倍頻現象就是二次非線性效應的一種特例；常用的倍頻晶體有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等；··················實驗5 介質增益和哪些因素有關？介質增益與毛細管長度、內徑粗細、兩種氣體的比例、總氣壓以及放電電流等因素有關 半外腔式激光器調出光的方法根據氦氖激光諧振腔調整與功率測量實驗裝配圖5.2安裝好所有的器件，然后打開電源開關。十字叉絲板功率計探頭功率計氦氖半外腔激光器圖5

13、.2 氦氖激光諧振腔調整與功率測量實驗圖使用臺燈照亮十字叉絲板，叉絲線朝向半外腔激光器。通過叉絲板中心小孔，目視氦氖激光器毛細腔。調整叉絲板小孔的位置，使得操作人可以目視到毛細管另一端腔片上的極亮斑，并將亮斑調整到毛細管中心。調整半外腔激光器后腔鏡旋鈕，此時操作人通過叉絲板小孔可以看見經照亮的十字叉絲板圖案反射到半外腔激光器后腔鏡表面上的像，調整后腔鏡鏡架旋鈕，將叉絲像交點與毛細管內亮斑重合。反復調節(jié)，直至激光器發(fā)光。 課前預習題氦氖激光器由哪幾部分構成？介質增益與哪些因素有關？激光振蕩產生的條件是什么？內腔式氦氖激光器與外腔式氦氖激光器的區(qū)別是什么？氦氖激光器（簡稱He-Ne激光器）由光學諧

14、振腔（輸出鏡與全反鏡）、工作物質（密封在玻璃管里的氦氣、氖氣）、激勵系統(tǒng)（激光電源）構成；·····；總之腔的損耗必須小于介質的增益，才能建立激光振蕩；內腔式He-Ne激光器的腔鏡封裝在激光管兩端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、輸出鏡及全反鏡是安裝在調節(jié)支架上的實驗6 什么是多普勒增寬?(查激光原理書或百度之)實際上發(fā)光原子作無規(guī)熱運動，運動的原子發(fā)出的光波產生多普勒頻移，頻移的大小依賴于原子運動速度沿觀測方向的分量，趨近的原子發(fā)光頻率增大，遠離的原子發(fā)光頻率減??；不同速度分量的原子發(fā)光頻移大小不同。疊加的總效果造成譜線的多普勒增寬，其值與

15、絕對溫度的平方根成正比。通常多普勒增寬比自然寬度大23個量級。 激光諧振腔內形成持續(xù)振蕩的條件是什么？ 形成持續(xù)振蕩的條件是，光在諧振腔中往返一周的光程差應是波長的整數倍即 (6-1) 什么是縱模？縱模的特征？相鄰縱模的頻率間隔與什么有關？這正是光波相干極大條件，滿足此條件的光將獲得極大增強。式中，是折射率，對氣體，是腔長，是正整數，每一個對應縱向一種穩(wěn)定的電磁場分布，叫一個縱模，稱作縱模序數。是一個很大的數，通常我們不需要知道它的數值。（縱模是指沿諧振腔軸向的穩(wěn)定光波振蕩模式）；縱模特征：相鄰縱模頻率間隔相等；對應同一橫模的一組縱模，它們強度的頂點構成了多普勒線型的輪廓線。相鄰縱模頻率間隔和

16、激光器的腔長成反比。即，腔越長，縱越小，滿足振蕩條件的縱模個數越多；相反腔越短，縱越大 課后思考題············ 共焦球面掃描干涉儀可以用來觀測什么？其結構如何？（圖6.2）用眼睛和一般光譜儀器不能分辨的所有縱模、橫模展現成頻譜圖圖6-2 共焦球面掃描干涉儀原理結構圖 共焦球面掃描干涉儀有哪兩個性能參數？自由光譜范圍、精細常數 如何將內腔式激光器調準直？將可變光闌靠近激光器，調激光器，遠離調俯仰，靠近調左右，多次。 已知激光器的腔長，如何計算自由光譜區(qū)以及共焦腔的腔

17、長？反之，已知共焦腔的腔長，如何計算相鄰縱模的頻率間隔以及激光器的等效腔長？··················· v=c/2Lvq=1c/2Lc/2L實驗7 激光橫模的定義及特征。這是因為光每經過放電毛細管反饋一次，就相當于一次衍射。多次反復衍射，就在橫向的同一波腹處形成一個或多個穩(wěn)定的衍射光斑。每一個衍射光斑對應一種穩(wěn)定的橫向電磁場分布，稱為一個橫模。我們所看到的復雜的光斑則是這些基本光斑的迭加，圖7-

18、1是幾種常見的基本橫模光斑圖樣。圖7-1 常見的基本橫模光斑圖樣不同橫模對應不同的頻率，橫模序數越大，頻率越高?？傊?，任何一個模，既是縱模，又是橫模。它同時有兩個名稱 相鄰橫模的頻率間隔和相鄰縱模的頻率間隔的比值關系？相鄰橫模頻率間隔為 (7-2)相鄰的橫模頻率間隔與縱模頻率間隔的比值是一個分數，如圖7-2，分數的大小由激光器的腔長和曲率半徑決定。腔長與曲率半徑的比值越大，分數值越大。當腔長等于曲率半徑時（LR1R2，即共焦腔），分數值達到極大，即相鄰兩個橫模的橫模間隔是縱模間隔的1/2，橫模序數相差為2的譜線頻率正好與縱模序數相差為1的譜線頻率簡并。圖7-2 縱橫模間隔示意圖實驗8 高斯光束

19、的三個重要參數是什么？束腰半徑的定義。、分別表示了高斯光束的光斑半徑、等相面曲率半徑、相位因子，是描述高斯光束的三個重要參數；定義為場振幅減小到最大值的的值，稱為腰斑，它是高斯光束光斑半徑的最小值 光斑半徑隨坐標的變化規(guī)律。光斑半徑隨坐標按雙曲線 規(guī)律而向外擴展，如圖8-1所示圖8-1 高斯光束以及相關參數的定義 瑞利長度和遠場發(fā)散角的定義。在光學，特別是激光學中，我們設鞍腰部（如圖中所示的最低處）為A，其橫截面面積為a，沿光的傳播方向，當橫截面面積因為散射達到2a時，我們設此處為B，瑞利長度或者瑞利射程正是指從A到B的長度（即圖中所示ZR)。相關參數是共軛焦距，b，其長度是兩倍的瑞利長度。當

20、光波按高斯模型傳播的時候，瑞利長度則顯得非常重要。從高斯光束的等相位面半徑以及光束半徑的分布規(guī)律可以知道，在瑞利長度之外，高斯光束迅速發(fā)散，定義當 時高斯光束振幅減小到最大值1/e處與z軸夾角為高斯光束的遠場發(fā)散角（半角） 對于給定腔長以及曲率半徑的平凹腔激光器，如何計算高斯光束的束腰半徑、瑞利長度以及遠場發(fā)散角？ (8-2) (8-3) (8-4)高斯光束遠場發(fā)散角的一般定義(上一題)為：當時，高斯光束振幅減小到中心最大值處與z軸的交角，即表示為 (8-7) （8-18） 束腰處以及發(fā)散角的特點。A高斯光束的發(fā)散角隨傳播距離的增大而非線性增大；B在束腰處，發(fā)散角為0；在無窮遠，發(fā)散角最大C通

21、常將 區(qū)域定義為光束準直區(qū)；D 越大，則遠場發(fā)散角愈小。因此為了減小光束的遠場發(fā)散角，可采用光學變換的方法，使其束腰增大。實驗9 高斯光束通過薄透鏡后的變換（圖9.1）圖9-1 高斯光束通過薄透鏡的變換 滿足什么條件時，可以用幾何光學的方法粗略研究近軸高斯光束？當滿足 條件時 像方高絲光速束腰位于透鏡焦面處時，像方束腰半徑的公式是什么？ 高斯光束的聚焦及準直的定義。高斯光束的聚焦，指的是通過適當的光學系統(tǒng)減小像方高斯光束的束腰半徑，從而達到對其進行聚焦的目的。準直：即利用光學系統(tǒng)壓縮高斯光束的遠場發(fā)散角,提高能量和傳輸距離。 用薄透鏡對高斯光束進行聚焦，當焦距一定時，像方束腰半徑隨物距的變化規(guī)

22、律是什么？（圖9.3）圖9-3 F為定值時隨l變化的規(guī)律 本實驗中的所有結論！1當物方高斯光束束腰遠離透鏡時，距離l的增加以及焦距F的減小都會引起像方高斯光束束腰半徑的減小，即聚焦效果的增強。2要獲得盡可能好的聚焦效果，可以采取的方法有： a盡量采用短焦距的透鏡； b使高斯光束束腰位置遠離透鏡的焦平面，滿足條件 ； c使高斯光束束腰位置位于透鏡上，即 ，并設法滿足條件 。3可以用一個透鏡先壓縮高斯光束的束腰半徑，再用一個長焦透鏡壓縮高斯光束的發(fā)散角。光電信息綜合實驗（二）復習范圍：實驗1 光電基礎知識實驗 對輻射度量與光度量等基本概念有具體認識 本實驗所用的實驗儀器有哪些？ 光輻射、可見光等相關概念的掌握 課后思考題實驗2 光敏電阻的特性實驗 外光電效應、內光電效應的區(qū)別 內光電效應又分為哪兩種光電效應？這兩種效應的具體含義及所對應的光電器件 光