光电子技术基本第二版(朱京平著)科学出版社课后答案解析.pdf

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1、1 1 1 1 第一章绪论第一章绪论 1. 1. 1. 1. 光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？ 光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储 器件。 光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光和非线性光学器件等。非 相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。 光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。 光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。 光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。 光存储器件

2、分为光盘(包括 CD、VCD、DVD、LD 等)、光驱、光盘塔等。 2 2 2 2谈谈你对光电子技术的理解。谈谈你对光电子技术的理解。 光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术， 以光源激光化， 传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特 征，是一门新兴的综合性交叉学科。 3 3 3 3谈谈光电子技术各个发展时期的情况。谈谈光电子技术各个发展时期的情况。 20 世纪 60 年代，光电子技术领域最典型的成就是各种激光器的相继问世。 20 世纪 70 年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的 成熟特别是量子阱激光

3、器的问世以及 CCD 的问世。 20 世纪 80 年代，出现了大功率量子阱阵列激光器；半导体光学双稳态功能器件的得到 了迅速发展；也出现了保偏光纤、光纤传感器，光纤放大器和光纤激光器。 20 世纪 90 年代，掺铒光纤放大器(EDFA)问世，光电子技术在通信领域取得了极大成功， 形成了光纤通信产业； 。另外，光电子技术在光存储方面也取得了很大进展，光盘已成为计算 机存储数据的重要手段。 21 世纪，我们正步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输 、 处理、存储与显示都提出了严峻的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的增强等都更加 依赖于信息的广度、深度和速度。 举出几个你

4、所知道的光电子技术应用实例。 举出几个你所知道的光电子技术应用实例。 如：光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。 据你了解，继阴极射线管显示（ 据你了解，继阴极射线管显示（CRTCRTCRTCRT）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发 展成为未来显示技术的主体？ ）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发 展成为未来显示技术的主体？ 等离子体显示（PDP） ，液晶显示（LCD） ，场致发射显示（EL） 。 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 2 2 2 2 第二章 光学基础知识与光场传播规律 填空题 第二章 光学基础知识与光场传播规律 填空题

5、 光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效 应等。光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。 两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定，最典型的干涉装置有杨氏 双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。两束光相长干涉的条件是为光程差。(0, 1, 2,)mm= LL 两列同频平面简谐波振幅分别为、，位相差为，则其干涉光强为 01 E 02 E ，两列波干涉相长的条件为 22 01020102 2cosEEE E+ 2(0, 1, 2,)m m= LL 波长的光经过孔径 D 的小孔在焦距 f 处的衍射爱里斑半径为。1.22f D 在玻璃上涂一种透明的介质膜以消除

6、红外线的反射。在玻璃上涂一种透明的介质膜以消除红外线的反射。(2.25,1) rr =(0.75)m= 求该介质膜应有的介电常量及厚度。 如紫外线垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分 求该介质膜应有的介电常量及厚度。 如紫外线垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分(0.42)m= 之多少？之多少？ 正 入 射 时 ， 当时 ， 膜 系 起 到 全 增 透 作 用1.5 r n= 0G nn n= ，正入射下相应的薄膜厚度最薄为 0 1.0 1.51.225 G nn n= 0 0.75 0.153 44 1.225 hm n = 正入射时，反射率为 2222

7、0 0 00 2222 0 0 00 22 () cos() sin 22 () cos() sin G G G G n nnhnh nnn n n nnhnh nnn n + = + 正 22 0 0 2222 0 0 00 2 () cos 3.57% 22 () cos() sin G G G nh nn n nnhnh nnn n = + 有两个具有共轭复振幅的单色波，具有相同的频率，其复值分别为及。比较它有两个具有共轭复振幅的单色波，具有相同的频率，其复值分别为及。比较它( )U r *( ) Ur 们 的 强 度 、 波 前 和 波 前 法 线 。 以 平 面 波与 球 面 波们

8、的 强 度 、 波 前 和 波 前 法 线 。 以 平 面 波与 球 面 波 () ( )exp() 2 xy U rAjk + = 为例。为例。( )()exp()U rA rjkr= 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 3 3 3 3 平面波的强度,因波前可以是任意的曲面，故它的波前 () ( )exp() 2 xy U rAjk + = 2 IA= 即为波前函数，波前法线垂直于波前。( )U r 它的共轭波的强度， 波前函数同样是该波的表达式， 波 *() ( )exp() 2 xy UrAjk + = 2 IA= 前法线垂直于波前。 球面波的强度为，波前函数即该

9、波表达式，波前法线垂( )()exp()U rA rjkr= 2 ()IA r= 直于波前。 它的共轭波的强度为，波前函数即该波表达式，波前法 *( ) ()exp()UrA rjkr= 2 ()IA r= 线垂直于波前。 光束垂直投射在无限大不透明的环状小孔（半径为光束垂直投射在无限大不透明的环状小孔（半径为 a a a a 和和 b b b b，abababab）上，发生夫琅和费衍射， 求光强度的角分布。 ）上，发生夫琅和费衍射， 求光强度的角分布。dI 见物理光学 一束波长为一束波长为 0.50.50.50.5的光波以角从空气入射到电极化率为的介质表面上，求的光波以角从空气入射到电极化率

10、为的介质表面上，求m 0 4520.6j 此光波在介质中的方向（折射角） 。 光波在介质中的衰减系数。 此光波在介质中的方向（折射角） 。 光波在介质中的衰减系数。 2 123n= +=3n= 由得 112 sinsinnn= 2 6 sin 6 = 2 6 arcsin 6 = 衰减系数 7 2 ( 0.6)0.61.3 10 n rk = = 输出波长输出波长632.8632.8632.8632.8的的 He-NeHe-NeHe-NeHe-Ne 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆 ZnSZnSZnSZnS 和形成和形成nm 2 ThF 的，这两种材料的折射

11、率系数分别为的，这两种材料的折射率系数分别为 1.51.51.51.5 和和 2.52.52.52.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系 数大于 。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系 数大于 99.599.599.599.5？ 设 玻 璃 的 折 射 率 1.5由 题 意 ：， 即 G n 0 2 2 2 0 2 2 0 () 0.995 () P HH LG P HH LG nn n nn nn n nn = + 正， 即 2 2 2 2 2.51.5 1 () 1.51.5 0.9975 2.51.5 1 () 1.51.5 P P + 2 5 0.0025 ( )1.51.9975

12、 3 P 故至少涂覆 7 个双层。 2 5 ( )532.7 3 P 212.3P=7P 有 有 mmmm 个相距为个相距为 d d d d 的平行反射平面。一束光以倾角投射反射面。设每一反射平面仅反射的平行反射平面。一束光以倾角投射反射面。设每一反射平面仅反射 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 4 4 4 4 一小部分光，大部分光投射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明时，合成的一小部分光，大部分光投射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明时，合成的sin 2d = 反射波强度达到最大值，这一角度称为反射波强度达到最大值，这一角度称为 BraggBraggBraggB

13、ragg 角。角。 d d d d d d d d 因各辐射波的反射波幅值相等，当它们反射波叠加，相位依次相差的整数倍时，合成2 的反射波强度达到最大值，最简单情况下，相位相差。2 如图所示：即故当时， 反射波强度达到最大值 。2 sin2k d= 2 2 sin2d =sin 2d = 从麦克斯韦通式（ 从麦克斯韦通式（2 2 2 228282828）出发，推导波动方程（）出发，推导波动方程（2 2 2 244444444） 。） 。 对该式取旋度左边 B E t = 2 ()()EEE = 右边（由） ()B t 00 BHM=+ 0 ()HM t = + 由上式 s DD HJEJ tt

14、 =+=+ 0 () s D EJM tt = + 2 0000 2 () s JDE M tttt = 在电介质中，一般有,从而，于是上式可化为0M= 0 = 0 BH= 2 ()EE 2 000 2 s JDE ttt 2 0 000 2 () s EPJE ttt + 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 5 5 5 5 第三章 激光原理与技术第三章 激光原理与技术 1 1 1 1填空填空 最早的电光源是炭弧光灯， 最早的激光器是 1960 年由美国家的梅曼制作的 红宝石激光 器。 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸 收与频

15、率的关系。 激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光产生的充分条件是阈 值条件和增益饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。 今有一个球面谐振腔，r1=1.5m,r2=-1m,L=80cm,它属于稳定腔。 2 2 2 2试简单说明以下光电子学术语的科学含义：试简单说明以下光电子学术语的科学含义： 受激辐射(画出二能级图) 处于激发态 E2 上的原子，在频率为21的外界光信号作用下，从 E2 能级跃迁到 E1 能 级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为、与外界光信号处于同一状态的光子，这两个 21 h 光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样，在一

16、个入射光子作用下， 就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。 谱线的多普勒加宽 多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普勒频移引起的。 谱线的自然加宽 自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成 的。 光放大 光束在激活介质中传播时，设入射端面处光强为,距离 x 处光强为，且 0( ) I ( )I ，则 12 12 NN gg 放大，为此，我们引入激活介质的增益系数( )G ( ) ( ) ( ) dI G Idx = 式中，是传播距离时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强( )dI dx 度在传

17、播单位长度的距离时，光强增加的百分数。由于，因而，所以( )0dI ( )0G ( )G 可以表示光在激活介质当中的放大特性。 3. 3. 3. 3.计算与推导 计算与推导 0.50.50.50.5mmmm 时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？时，什么温度下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300KT=300KT=300KT=300K 时，什么波长下时，什么波长下 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 6 6 6 6 自发辐射率相等？自发辐射率相等？ 自发辐射率为 A21，受激辐射率为 W21。 212121 ()wB = 由爱因斯坦关系式可知：， 33 2121 3

18、 21 8Ahn Bc = 由普朗克公式可知：， 33 21 21 3 21 81 () exp() 1 hn h c kT = 由题意 A21W21，故， 3 21 exp() 11 h kT = 33348 3 33 21 3236 3 ln2ln26.63 10(3 10 )0.6931 7.19 10 1.38 10(0.5 10 ) hhc TK kk = 当 T=300K 时， 3348 3 312 23 ln26.63 10(3 10 )0.6931 2.997 10 1.38 10300 hc kT = 4 1.442 10M= He-Ne 激光器的反射镜间距为 0.2m，求最

19、靠近 632.8nm 跃迁谱线中心的纵模阶数、纵 模频率间隔。如果增益曲线宽度为Hz,则可能引起的纵模总数是多少？ 9 1.5 10 气体的折射率1n 由得 2 q c q nL = 5 9 22 1 0.2 6.32 10 632.8 10 nL q = 纵模频率间隔 8 8 3 10 7.5 10 22 1 0.2 q c Hz nL = 实际振荡纵模总数 9 8 1.5 10 113 7.5 10 T q q =+ =+ = 红 宝 石 激 光 器 的 工 作 物 质 有 特 性 ：、 300K 处 ， 73 21 5 10 /NNcm= ，n=1.78,求其在中心频率处的增益 11 0

20、 1 2 10 () Hz g = 3 3 10 s s = 14 4.326 10Hz= 系数。( )G 一维电子振荡器在电磁场 E(t)作用下的运动方程如式（32） ，推导简谐电场与简谐振 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 7 7 7 7 子条件下，复极化率的表达式。( ) % 电子运动方程为，在简谐电场和简谐振子条件下，则瞬时电 2 2 0 2 d xdx mmxmeE dtdt = 场与位置偏移为( )E t( )x t ( )( ) j t x txe = ( )( ) j t E tEe = 、表示对应于频率的振幅值，将、代入运动方程，并求解得( )E (

21、 )x ( )x t( )E t 22 0 ( ) ( ) () eE x mj r = + 在平面光波场作用下，原子在光场作用下产生感应极化，形成电偶极振子 Re( ( ) j t pexpe = = 设单位体积中原子数为 N，则介质极化强度 2 22 0 ( ) ( ) () eE p mj r = + Re( ( ) j t PNpPe = 2 0 22 0 ( ) ( )( )( ) () NeE PE mj r = + 又 00 ( )( )( )( )( )PEjE = 2 22 0 1 ( ) () Ne mj r = + 4 4 4 4简述题 简述激光的特点。 简述题 简述激光

22、的特点。 激光的特点主要表现在以下四个方面：激光具有激光极好的方向性激光的单色性非 常好激光的相干性好激光具有极高的亮度和单色亮度。信息光电子技术中所用的光源， 着重单色性、高速脉冲性、方向性、可调谐性和高能量密度等。激光正是满足这些条件的最 好的光源。 分析单色辐射场与连续辐射场与粒子体系相互作用情况。 分析单色辐射场与连续辐射场与粒子体系相互作用情况。 单色辐射场与粒子体系的相互作用 如图 38 所示，粒子线型函数为，中心频率为，谱线宽度为，辐射场( )g 0 的中心频率为，带宽为。单色辐射场与粒子体系相互作用过程，要求粒子体系的展宽要 0 课后答案网 w w w .k h d a w .

23、c o m 8 8 8 8 远 大 于 辐 射 场 宽 度 ， 即与间 满 足 公 式，很 小 ， 于 是 中被积函数只有在附近一个很窄的范围内不为零。且在 21 221 ()( ) ( ) st dN N Bgd dt + = 0 内可以认为不便，于是单色辐射场能量密度可表示为 ( )g ( )( )() = 21 221221221 ()( ) ( ) ()( ) ( )( ) st dN N BgdN B gN W dt + = 式 中 ， 22 3 21 21 2121 33233 ( )( ) ( )( ) ( )( )( ) 888 s Ac II Ac WB gggg n hn

24、hn h = （单位：）为光辐射强度。 ( )c I n = 2 W m 上式表明由于谱线宽度，和粒子体系产生相互作用的单色光场的频率并不一定要精 0 确位于的中心频率处才能产生受激辐射，而是在附近一定频率范围内均可，跃迁概( )g 0 0 率的大小取决于单色光场中心频率相对于线型函数中心频率的位置，越小，则 0 0 0 0 越大，当时，受激跃迁概率最大。这种相互作用不仅与、有关，而且还与 21 W 0 0 21 B 有关。( )g 连续辐射光场与粒子体系相互作用 当连续辐射光场与粒子体系相互作用时（图 39） ，满足条件，于是 中被积函数只有在附近很小的范围内（量级）才不为零， 21 221

25、 ()( ) ( ) st dN N Bgd dt + = 0 且内可以认为近似为常量，于是 ( ) 0 () 21 22122102210221 ()( ) ( )()( )() st dN N BgdN BgdN BN W dt + = 式中，为连续辐射光场在粒子线型函数中心频率处的单色能量密度。 0 () 0 可见， 连续辐射场中只有频率等于粒子体系中心频率的那部分辐射场才能引发粒子 0 体系受激辐射，其他部分实际上被粒子体系所散射。 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 9 9 9 9 试推导爱因斯坦关系式。 试推导爱因斯坦关系式。 设一个原子系统有两特定能级、，

26、（ 21 ()d 0 光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时，光能密度将不断增加。 我们称这种状态的物质为激活介质。 要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，这是因为：第一： 在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工作物质， 难以形成极强的光束；第二，激发处的光可以有很多频率，对应很多模式，每一模式的光 都将携带能量，难以形成单色亮度很强的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回 往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。由于光束 在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强

27、，频率得到筛选， 特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较 大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。 光在谐振腔内传播时，由于 1，光在镜面上总有一部分投射损失，且镜面和激活介 2 R 质总还存在着西都、散射等损失，因而只有光的增益能超过这些损失时，光波才能被放大， 从而在腔内振荡起来，这就是说，记挂更年期必须满足某个条件才能“起振”，称这个条件 为振荡阈值条件。往返一次光束强度变化过程为，于是 1021232431 , LL II GII R II GII R= 2 4012L II R R G= 如果，则光束通过激活介质振荡一次后，强度减

28、小，从而多次振荡后光强将不断 40 II 效的激光振荡。课件，形成激光振荡的条件为 40 II 于是，激光振荡必须满足的最起码条件为 2 12 1 L R R G= 由之可得增益的阈值为 12 1 ( )ln 2 th GR R L = 又 1 21 2 ( )()( ) th g GNN Kg g = 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 12121212 于是由此还可推出激光振荡的反转粒子数阈值公式 112112 21 2 2212 1 ln4ln () 2( )( ) th gR RgR R NN gKLgAgLg = = 理论和时间结果表明：当入射光强度足够弱时，

29、增益系数与光强无关，是一个常量； 而当入射光强增加到一定成都时，增益系数将随光强的增大而减小，即应写为( )G 。这种随着的增大而减小的现象，称为增益饱和效应。它是激光器建立稳( , )GI( , )GII 态振荡过程的稳定振荡条件。 设想某种工作物质在泵浦作用下（无外加光场）实现了粒子数反转，即 00 0 21 21 0 NN N gg = 当外加光强出现时，感应了的受激发射和的受激吸收，两种过程的概 21 EE 12 EE 率相等（）,由于，因而的粒子数大于的粒子数，其 2112 WW= 12 12 NN gg 21 EE 12 EE 结果使新平衡下的反转粒子数，变小；由于外加光场越强，造

30、成粒子数 0 NN仍成立，激光继续产生，腔内光子数密度仍急剧增加， 23 tt N th N 受激辐射造成的减少速率也继续增大，超过泵浦引起的增长率，开始减小，直到N N 时刻，又回到阈值。 23 tt=N N th N 第三阶段（） ，之后，增益小于损耗，腔内光子数密度急剧减小； 34 tt 3 t th NN N 4 tt= 增加速率等于减小速率，达到极小值。N 第四阶段（） ，之后，的增加率再次占优势，直到时刻，再次达到阈值 45 tt= 4 tN 5 t ，将开始下一轮振荡。 th N 在整个氙灯泵浦时间内，以上四个阶段不断重复，形成了依稀类的尖峰结构，而且， 泵浦越强，尖峰形成越快，

31、尖峰时间间隔越小。 激光调 Q 技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级？ 调 Q 技术可以产生脉宽s 量级、峰值功率 MW 量级的巨脉冲，锁模技术可以产 79 1010 生量级的超短脉冲。 1213 1010s 常见的调 常见的调 Q Q Q Q 方法有哪几种？分别简述之。方法有哪几种？分别简述之。 转镜调 Q 技术 将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中，只 有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔的反射损耗可达到 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 16161616 调 Q 目的。 染料调 Q 技术 利用染料对光的

32、吸收系数随光强度变化的特性来调 Q 的方法称为染料调 Q 技术，这种调 Q 开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调 Q 技术。染 料对该激光器振荡波长的光有强烈的吸收作用，且吸收系数随入射光的增强而不断减小。 当染料盒插入谐振腔内时，激光器开始泵浦此时腔内光强还很弱，因而染料对光吸收强烈， 腔损耗很大，Q 值很低，不能形成激光；随着泵浦的继续，亚稳态上离子越积越多，腔内 光强逐渐增大，吸收逐渐减小，Q 值不断增大；泵浦光大到一定值时，染料对该波长的光 变为透明，称为染料漂白，此时 Q 值达到最大，相当于 Q 开关开启，于是激光器输出一个 强的激光脉冲。 电光调 Q

33、技术 某些晶体经过特殊方向的切割后，如果在某个方向上加电压，就可以使通过它的偏光改 变振动方向，且外加电压的数值与振动放下嘎那的改变之间有一定的函数关系，再辅以其 他光学元件，就可以构成 一个快速光开关，达到调 Q 目的。 声光调 Q 技术 如图 331 所示，声光器件在腔内按布拉格条件放置。当外加高频振荡的超声信号时， 光束沿布拉格角偏折，从而偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重，Q 值很低，不能形成 激光振荡；但这一阶段，光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累，一定史家后， 瞬间撤销超高频振荡声场，光无偏折地通过晶体，Q 值突然增大，从而产生一个强的激光 脉冲输出。 分别简述几种常见的激

34、光锁模实现方法。 分别简述几种常见的激光锁模实现方法。 激光器一般有多个不同的振荡模式，他们本身是不关联、非相干的，起振幅与相位彼此 独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场 得相干叠加，输出为一超短脉冲，且残余相干得模越多，不均于分布越尖锐，则脉宽越窄、 峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定得 方法称为锁模，相应得技术称为锁模技术。 实现锁模的方法有很多，大致分为一下几类： 主动锁模 是一种内调制锁模，通过在腔内插入一个电光或声光调制起实现模式锁定，要求调制频 率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式

35、相位同步的锁模技术。 被动锁模 类似染料被动开关，把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结构激光器谐振 腔环路中点，使相反方向的两个脉冲精确同步地到达吸收体 ，发生碰撞，产生相干叠加效 应，从而获得有效锁模的碰撞锁模方式。 自锁模 这是一种通过增益调制来实现锁模的方法。用一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一 台激光器，在两个激光器光腔长度相等的情况下，激光器的增益收到调制，在最大增益时 形成一个脉冲更窄的序列脉冲输出，这就是自锁模技术，或称同步锁模技术。 激光选模技术分哪几类？ 激光选模技术分哪几类？ 采取某些手段限制参与振荡的模式数目，有关技术称为激光选模技术，一般分为四类： 一是激光

36、谱线选择，二是激光偏振选择，第三类时压缩振荡激光束的发散角、从而改善其 方向性的横模选择技术，第四类是用于限制振荡激光频数目的纵模选择技术。 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 17171717 第四章 光波导技术基础 某光纤传输的波段为。 若每一路电话带宽为， 每套彩电节目带宽 第四章 光波导技术基础 某光纤传输的波段为。 若每一路电话带宽为， 每套彩电节目带宽 10MHz10MHz10MHz10MHz， ，0.80.9m 4kHz 则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目？则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目？ 光纤传输的频率,故它传输波段为，, c

37、 f = 1414 3.333 103.75 10 14 0.417 10f= 能传播的电话数目 14 10 1 3 0.417 10 1.04 10 4 10 N = 能传播的彩电数目 14 6 2 6 0.417 10 4.17 10 10 10 N = 什么是光波导？平面介质光波导中几类模式各有何特点？ 什么是光波导？平面介质光波导中几类模式各有何特点？ 光波导就是能使光低损耗传输的通道，它将光限制在一定路径中向前传播，减少了光的耗 散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础。 如图 41 和 42 所示： 1213cc 此 时 ， 上 、 下 界 面 均 满

38、 足 全 反 射 条 件 。 在 满 足 相 位 匹 配 方 程 ： 011213 2cos2 (0,1,2,)k n dmm= L m 的不同取值对应于横向驻波波节数，每一个 m 值对应一个稳定的横向分布，这种波导中稳 定的场分布称为导波模式，简称导模。这说明：并未满足的所有角入射的光 1213cc 1 n 场均可形成导波，对于一定波长的光波，只有满足上式的角入射的光波才可形成导波。即 只有某些大于的（）才能形成导波，且 m 越大，越小，即小的入射角度相 12c m 12mc m 应的模式阶次高，z 向单位长度内导模上下振荡次数多。 1312cc 在、界面反射，、界面投射，光线向衬底辐射，不

39、再形成导波，称为衬底辐 1 n 3 n 1 n 2 n 2 n 射模 13c 各面均不满足全反射条件，光线在两个界面上都发生透射，这种模式称为包层辐射模。 几何光学和物理光学在分析平面介质光波导中光传输时各自的出发点是什么？ 几何光学和物理光学在分析平面介质光波导中光传输时各自的出发点是什么？ 几何光学分析法从介质界面观点出发得出，光波导的基本原理是光在介质表面的全反射。 物理光学分析是从麦克斯韦方程出发，分析电磁场在三层波导中的分布情况，从而得出波 导中光波导传播情况的方法。 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 18181818 推导三层平板波导 推导三层平板波导 T

40、MTMTMTM 模本征方程。模本征方程。 由于， () ( , )( , ) jtz H r tH x y e = 由麦克斯韦方程 D HjE t = = 将场的横向分量用纵向分量表示得 2222 1 () zzz x EHjH Hjj kyxkx = 2222 1 () zzz y EHjE Hjj kyxkx =+= 对于横磁波，即的波，可得0 z H= 0 x H= yx HE = y z H jE x = 由此可见，TM 波只有唯一的横向磁场分量。对 TM 波仅需求解波动方程 y H 2222 ()0 yy Hk nH+= 由于仅有分量，因而波动方程简化为：( , )H x y y H

41、 波导层 2 222 01 2 ()0 yy Hk nH x += (0)dx 衬底层 2 222 02 2 ()0 yy Hk nH x += ()xd 覆盖层 2 222 03 2 ()0 yy Hk nH x += (0)x 于是其满足导波条件及边界条件及处、连续 的模场 0201 ()k nk n = + 式中 222 01 hk n= 222 03 qk n= 222 02 pk n= 且有 2 2 () tan() (1) h pqpq hd pq hpq h h + = 此式即为 TM 模的本征方程。 推导四层平板波导 推导四层平板波导 TETETETE 模场分布表达式及其本征方

42、程（设厚衬底层模场分布表达式及其本征方程（设厚衬底层 2 2 2 2 上生长波导层上生长波导层 1 1 1 1，1 1 1 1 上覆缓冲层上覆缓冲层 3 3 3 3，这一结构置于空气层，这一结构置于空气层 4 4 4 4 中，且） 。中，且） 。 1234 nnnn 光纤的基本结构是什么？单独的纤芯可否作为光波导？包层的作用是什么？光纤传输光 的基本原理是什么？什么是传输模、辐射模和消逝模？ 光纤的基本结构是什么？单独的纤芯可否作为光波导？包层的作用是什么？光纤传输光 的基本原理是什么？什么是传输模、辐射模和消逝模？ 光纤由传导光的纤芯（折射率）和外层的包层（折射率）两同心圆形的双层结构组成，

43、 1 n 2 n 且。外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。 12 nn 单独的纤芯不能作为光波导，光波导由纤芯和包层共同组成。 包层对纤芯起保护作用，包括增加光纤的机械强度，避免纤芯接触到污染物，以及减少纤 芯表面上由于过大的不连续性（即界面两边的折射率差别过大）而引起的散射损耗率。 光波在光纤中传播有 3 种模式，导模（传输模） ，漏模（泄漏模）和辐射模。 导模是光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称芯模。其存在条件是。在纤 201 0 n kn k 芯内电磁场按振荡形式分布，为驻波场或传播场，在包层内场的分布按指数函数衰减，为衰 减场，模场的能量被闭锁在纤芯内沿轴线方向传播。Z 漏模是在纤

44、芯及距纤壁一定距离的包层中传播的光波长，又称包层模。其存在条件是 。在纤芯中的没长能量可通过一定厚度的“隧道”泄漏导包层中，形成振荡形式， 20 n k= 但其振幅很小，传输损耗也很小。 辐射模在纤芯和包层中均为传输场，其存在条件是。在此条件下，波导完全处于介 20 n k 质状态，光波在纤芯与包层的界面上因不满足全反射条件而产生折射，模场能量向包层逸 出，光纤失去对光波场功率的限制作用。 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 20202020 设有一平面介质波导，各层折射率分别为 设有一平面介质波导，各层折射率分别为=2.21,=2.21,=2.21,=2.21,=2.

45、1,=2.1,=2.1,=2.1,=1,=1,=1,=1,波导层厚度。波导层厚度。 1 n 2 n 3 n4.6dm= 若总反射相移为，则当入射光波长为时，若总反射相移为，则当入射光波长为时， 3 2 1.31m 波导中能传输的模式总数是多少？ 要想传输单漠，波导层厚度应如何设计？ 若要传输的入射激光，重复、的计算。1.55m 归一化频率 6 2222 12 6 0 224.6 10 2.212.14.8356 1.31 10 d Vnn = 传播模数 1213 11 ()(4.83560.75 )4.0856 2 mV + = 故传播模式总数为 5。 由题意得11m 1213 1 () 2

46、V + 得1.75V 0 22 12 1.75 1.665 2 dm nn = 归一化频率 6 2222 12 6 0 224.6 10 2.212.14.0869 1.55 10 d Vnn = 传播模数 1213 11 ()(4.08690.75 )3.3369 2 mV + = 故传播模式总数为 4。 由题意得11m 1213 1 () 2 V + 得1.75V 0 22 12 1.75 1.970 2 dm nn = 波长为的光射入单模阶跃折射率光纤，其芯区与包层折射率分别为， 波长为的光射入单模阶跃折射率光纤，其芯区与包层折射率分别为， 1.3m 1 1.52n= 2 1.42n=

47、若将其至于空气（折射率为若将其至于空气（折射率为 1 1 1 1）中，则其数值孔径、最大入射角及芯径分别为多少？ 若将其置于水（折射率为 ）中，则其数值孔径、最大入射角及芯径分别为多少？ 若将其置于水（折射率为 1.331.331.331.33）中呢？）中呢？ 数值孔径 2222 12 . .1.521.420.542N Ann= 得 0max . .sinN An= 0 max arcsin0.54232.82= 课后答案网 w w w .k h d a w .c o m 21212121 由于是单模传播，故2.405V 22 12 0 2 2.405 a nn 0 22 12 2.4051

48、 21.836a nn = m 数值孔径 2222 12 . .1.521.420.542N Ann= 得 0max . .sinN An= 0 max 0.542 arcsin24.05 1.33 = 由于是单模传播，故2.405V 22 12 0 2 2.405 a nn 0 22 12 2.4051 21.836a nn = m 波长的光从空气中射入纤芯直径、 纤芯折射率的单模阶跃折射率光 波长的光从空气中射入纤芯直径、 纤芯折射率的单模阶跃折射率光 1.55m8m 1 1.458n= 纤中，求纤中，求 若包层折射率，求其数值孔径与最大入射角。 2 1.448n= 包层折射率应在何范围内方能维持单模传输？ 包层折射率为时的模式有效折射