_激光器的输出特性

北京邮电大学高等函授教育、远程教育 《光网络组网技术》综合练习题及答案一、 填空题：1、光网络是指以光纤为基础传输链路所组成的一种通信体系网络结构。

2. 强度调制直接检波光纤数字通信系统是由电、光发射端机、光中继器、光、电接收端机、光纤、监控系统，备用系统构成的。

3.目前，实用光纤的三个低损耗窗口在0.85μm 、1.31μm 、1.55μm 附近。

色散位移单模光纤是在1.55μm 处，实现 最低损耗 和最低色散 .4.光波在均匀介质里，是以 直线 传播，当光射线遇到两种介质交界面时，将产生全反射或部分反射 。

5.均匀光纤的导光原理为全反射原理 ，它的数值孔径表示了光纤收集光线的能力 ，定义式为 NA=n o Sin φMax ，也可表示为 NA=n 1∆2。

6. 采用非均匀光纤的目的是为了减少光纤的模式色散 ，这样会在光纤中近似产生自聚焦 现象，这需要纤芯折射率服从 平方律型折射指数 分布。

7.单模光纤的色散包括 材料 色散和 波导 色散，此外，系统所使用的光源与光纤色散相互作用，给系统引进了的干扰和噪声主要有三种，即码间干扰、模分配噪声和啁啾声 。

8.一般光纤分为单模光纤和多模光纤，单模光纤的芯径为 4～10μm ，存在材料 色散和波导 色散，传输的基模是 LP 01 。

9.多模光纤的芯径为 50μm ，存在模式 色散、材料 色散和 波导 色散。

10．按照纤芯折射率分布的不同，光纤可分为，阶跃型光纤（均匀光纤）、渐变型光纤（非均匀光纤），按照传输模式的多少来分，可分为单模光纤、多摸光纤。

11. 在非均匀光纤中，其集光能力是用 本地 数值孔径表示，定义式为 222)(θsin n r n NA NA -==。

12.多纵模激光器在高速调制下的输出谱线呈 多纵模 谱线，各谱线功率总合是一定的，但每根谱线的功率 是随机的 ，即各谱线的能量随机分配 。

13.在采用多纵模激光器的光纤通信系统中，激光器的谱线特性和 光纤色散相互作用，产生了一种叫模分配噪声 的现象，它限制了通信距离 和 容量 。

第3章激光器的输出特性前两章由发光的物理基础出发,对激光产生的工作原理进行了研究，对于在激光谐振腔中受激辐射大于自发辐射而导致光的受激辐射放大的过程和条件进行了很详细的讨论，为研究从激光谐振腔中传播，到其在腔外的光束强度与相位的大小与分布，也就是激光的输出特性打下了基础。

激光器作为光源与普通光源的主要区别之一是激光器有一个谐振腔，谐振腔倍增了激光增益介质的受激放大作用长度以形成光的高亮度，提高了光源发光的方向性。

实际上激光的第三个重要特点——高度的相干性也是由谐振腔决定的。

由于激光器谐振腔中分立的振荡模式的存在，大大提高了输出激光的单色性，改变了输出激光的光束结构及其传输特性。

因此本章从谐振腔的衍射理论开始研究激光输出的高斯光束传播特性，激光器的输出功率以及激光器输出的线宽极限。

3.1光学谐振腔的衍射理论2.1节中利用几何光学分析方法讨论了光线在谐振腔中的传播、谐振腔的稳定性问题以及谐振腔的分类。

而有关谐振腔振荡模式的存在、各种模式的花样也就是光束结构及其传输特性、衍射损耗等，只能用物理光学方法来解决。

光学谐振腔模式理论实际上是建立在标量理论的菲涅耳——基尔霍夫衍射积分以及模式再现概念的基础上的，本节用这种方法来讨论光学谐振腔。

3.1.1菲涅耳——基尔霍夫衍射公式惠更斯为了描述波的传播过程，提出了关于子波的概念，认为波面上每一点可看作次球面子波的波源，下一时刻新的波前形状由次级子波的包络面所决定。

菲涅耳引入干涉的概念，补充了惠更斯的原理，认为子波源所发的波应是相干的，空间光场是各子波干涉叠加的结果。

基尔霍夫进一步用格林函数方法求解波动方程，得到惠更斯一菲涅耳原理的数学形式，就是菲涅耳——基尔霍夫衍射公式(3-1)，其意义如图（3-1）所示。

图（3-1）惠更斯一菲涅耳原理设波阵面∑上任一源点'P 的光场复振幅为'(')u P ，则空间任一观察点P 的光场复振幅()u P 由下列积分式计算()'(')(1cos )'4ik ik e u P u P ds ρθπρ-∑=⎰⎰＋ (3-1)式中ρ为源点'P 与观察点P 之间的距离；θ为源点'P 处的波面法线n 与'PP 的夹角； 2k πλ=为光波矢的大小，λ为光波长；'ds 为源点'P 处的面元。

半导体激光器特性测量一、实验目的：1.通过本实验学习半导体激光器原理。

2.测量半导体激光器的几个主要特性。

3.掌握半导体激光器性能的测试方法。

二、实验仪器：半导体激光器装置、WGD-6型光学多道分析器、电脑等。

三、实验原理：WGD-6 型光学多道分析器，由光栅单色仪，CCD 接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D 采集单元，计算机组成。

该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。

光学系统采用C－T 型，如图M1 反射镜、M2 准光镜、M3 物镜、M4 转镜、G 平面衍射光栅、S1 入射狭缝、S2 光电倍增管接收、S3 CCD 接收。

入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2mm 连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1、S1 位于反射式准光镜M2 的焦面上，通过S1 射入的光束经M2 反射成平行光束投向平面光栅G 上，衍射后的平行光束经物镜 M3 成像在S2 上。

四、实验内容及数据分析1.半导体激光器输出特性的测量：a)将各仪器按照要求连接好；b)打开直流稳压电源，打开光多用仪；c) 将激光器的偏置电流输入插头接于稳压电源的电流输出端；d) 将激光器与光多用仪的输入端相连并使探头正好对激光器输出端，打开光多用仪； e) 缓慢增加激光器输入电流（0mA~36mA ），注意电流不要超过ＬＤ的最大限定电流（实验中不超过38mA ）。

从功率计观察输出大小随电流变化的情况； f) 记录数据； g) 绘图绘成曲线。

实验数据及结果分析： I （mA ） 1.02.03.04.05.06.07.0 8.09.010.011.0 12.0 P (uW) 0.40 0.80 1.25 1.75 2.25 2.85 3.54.255.05 5.956.98.0I （mA ） 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 23.0 24.0 P (uW) 9.310.7512.4514.5517.8522.941.0311.5753.51179.51594.51845.0根据以上实验数据绘制I —P 曲线:半导体激光器输出特性2004006008001000120014001600180020000510152025I(mA)P(uW)实验结果分析：通过半导体激光器的控制电源改变它的工作电流I ，测量对应的发光功率P ，以P 为纵轴，I 为横轴作图，描成曲线。

脉冲光纤和连续光纤激光器在输出特性、应用领域等方面存在显著差异。

1. 输出特性：脉冲光纤激光器的激光输出为脉冲形式，即激光强度和频率不稳定，呈现出脉冲信号特征。

而连续光纤激光器的激光输出为连续形式，即激光强度和频率相对稳定。

2. 应用领域：由于其高效的光纤传输能力和稳定的输出特性，连续光纤激光器广泛应用于工业加工领域，如激光切割、焊接等。

同时，在医疗领域中，连续光纤激光器也被用于手术切割和凝固，如心血管手术、泌尿外科手术等。

另外，由于其高效的光纤传输能力，连续光纤激光器还被广泛应用于通信领域。

脉冲光纤激光器由于其脉冲式的输出特性，主要被应用于科学研究领域，如光学显微镜、精密加工等。

在医疗领域中，脉冲光纤激光器也被用于皮肤病治疗和眼科手术等领域。

此外，脉冲光纤激光器还被广泛应用于通信领域，如光纤通信和光纤传感器等。

以上内容仅供参考，建议咨询专业人士获取更准确的信息。

实验6-1 脉冲固体激光器输出特性研究【实验目的】1、了解脉冲固体激光器的基本结构和基本原理，并练习调整激光器谐振腔，使其输出激光。

2、测定脉冲激光器的输出特性曲线，找出光泵能量阈值，计算出激光器的绝对效率和斜效率。

3、测定激光器输出光束的发散角。

【实验原理】一. 固体激光器的基本结构和工作原理激光，其英文为Laser ，全名为Light amplification by stimulated emission of radiation ，全名译为辐射的受激发光放大。

这很好地概括了激光产生的机制。

激光器就是根据激光产生的机制而设计的。

它由工作物质，泵浦系统和光学谐振腔等部分组成。

实验所用YAG 激光器的结构如图6-1-1所示。

1、工作物质要形成激光，首先必须利用激励源使工作物质激活，既使工作物质内部的电子在某些能级之间实现粒子数的反转分布，并且需要满足一定的条件。

2、泵浦系统本实验中所用YAG 激光器的光泵系统由聚光腔、脉冲氙灯和它的供电系统以及触发器组成。

直流电源给储能电容充电到数百伏，并加到氙灯的两极，这时氙灯不发光。

触发器接通后，立即发出一个一万多伏的电脉冲使氙灯导通，这时储能电容通过氙灯放电，氙灯发出强烈的闪光。

此光激活工作物质，处于基态的粒子向高能级跃迁，比如跃迁到234F 能级上。

在此能级上的粒子寿命较长，故称为亚稳态。

由于光泵系统的不断泵浦，泵浦到一定程度时，激发到高能级上的粒子数比在它下面的能级上的粒子数还多了，实现了粒子数的反转。

当粒子跳回低能级上时发光。

3、光学谐振腔为了满足产生激光的阈值条件，即要使光在谐振腔中来回一次在激活介质中所获得的增益足以补充由各种因素所导致的光的损耗。

在忽略介质内部损耗的情况下，阈值条件为1221 l e r r G (6-1-2)式中：21,r r 一谐振腔两端反射镜的反射率（包括反射镜的吸收，透射和衍射损失）；l —激活介质的长度；G —激活介质的增益系数，定义为：()dzz I z dI v G v v .)()(=(6-1-3)二．YAG 激光器输出特性1、输出特性曲线输出特性曲线是指激光器的输出能量与输入能量之间的关系曲线。

一、激光器的常用性能指标1、激光器的门限电流与功率输出激光的输出光功率与驱动电流并不成直线比例关系。

在门限电流（或称阈值电流）以下，激光器工作于自发射，输出光功率极小，在门限电流以上，激光器工作于受激发射、输出激光、功率随电流的增大而上升，基本上成直线对应关系，在实际应用中，我们要求门限电流越小越好。

激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系统的非线性失真指标影响很大。

2、激光器的调制增益激光器的调制增益是指输出光功率与输入射频驱动电流的比值，如0.42mW/mA，表示输入驱动电流1mA，输出0.42mW的光功率，调制增益一般越大越好。

3、激光器的相对强度噪声RIN激光器的相对强度噪声定义为单位频带宽度中噪声与输出光强的比值。

常用dB/HZ 作单位，激光器的噪声主要来源于激光器内光子涨落的量子噪声，相对强度噪声是描述激光器量子噪声特性的参数，我们希望它越小越好。

4、激光器的线性范围激光器的线性范围指激光器能线性工作的最大范围，通常它越大越好，我们可以用饱和电流(即激光器输出饱和时对应的激励电流，当激励电流超过饱和电流时，再加大激励，也不能使输出光功率增加，这时可能会造成激光器的损坏)与阈值电流之差来近似的代表其线性范围，实际上在线性范围内，激光器的输出光功率随注入电流变化的曲线，也不是绝对的直线，我们总是希望它尽量接近直线，使其非线性失真指标尽可能小，当温度升高时，阈值电流以1%—2%/ ºC的速度增大，而饱和电流则相应降低，使激光器的线性范围减小，因此在激光器内部要加温控装置，保持其工作稳定。

5、带内平坦度普封装的激光器由于引线电感等分布参数的影响，频率响应并不理想，一般为±1dB （750MHZ带宽），在CATV领域，激光器的封装形式一般为蝶形封装，这种封装引线最短。

6、激光器的温度特性激光器的特性对温度相当敏感，随着结温的升高，其输出功率将降低，当结温过高时，其输出功率将急剧减小，甚至损坏激光器，另外，随着结温的升高，其门限电流也将增大，噪声增加，波长变化。

半导体激光器光学特性测量实验学号：姓名：班级：日期：【摘要】激光器的三个基本组成部分是：增益介质、谐振腔、激励能源。

本实验通过测量半导体激光器的输出特性、偏振度和光谱特性，进一步了解半导体激光器的发光原理，并掌握半导体激光器性能的测试方法。

【关键词】半导体激光器、偏振度、阈值、光谱特性一、实验背景激光是在有理论准备和实际需要的背景下应运而生的。

光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础之一。

受激辐射的概念是爱因斯坦于1916年在推导普朗克的黑体辐射公式时提出来的, 从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的理论基础。

直到1960年激光才被首次成功制造（红宝石激光器）。

半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功发明，在1970年实现室温下连续输出。

半导体激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 等多种工艺。

由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。

半导体激光器已经成功地用于光通讯和光学唱片系统，还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气检测和同位素分离等；同时半导体激光器成为雷达，测距，全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。

半导体激光器与调频器、放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通讯和光计算机的发展。

半导体激光器主要发展方向有两类，一类是以传递信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。

本实验旨在使学生掌握半导体激光器的基本原理和光学特性，利用光功率探测仪和CCD光学多道分析器，测量可见光半导体激光器输出特性、不同方向的发散角、偏振度，以及光谱特性，并熟悉光路的耦合调节及CCD光学多道分析器等现代光学分析仪器的使用，同时进一步了解半导体激光器在光电子领域的广泛应用。

激光器的特性和性能测试激光器作为一种重要的光学器件，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。

为了确保激光器的性能和质量，需要对其进行特性和性能测试。

本文将从激光器的特性和性能测试方法、测试指标以及测试技术等方面进行探讨。

一、激光器的特性和性能测试方法激光器的特性和性能测试是对激光器输出功率、波长、光束质量、稳定性等参数进行测量和评估的过程。

常用的测试方法包括光功率测量、波长测量、光束质量测量和稳定性测试等。

光功率测量是对激光器输出功率进行测量的方法之一。

常用的光功率测量仪器有功率计和能量计。

功率计适用于连续激光器的功率测量，能量计适用于脉冲激光器的能量测量。

在进行光功率测量时，需要注意选择适当的探头和测量范围，以确保测量结果的准确性。

波长测量是对激光器输出波长进行测量的方法之一。

常用的波长测量仪器有光谱仪和波长计。

光谱仪适用于连续激光器的波长测量，波长计适用于脉冲激光器的波长测量。

在进行波长测量时，需要注意选择适当的光谱仪或波长计，并进行仪器的校准，以确保测量结果的准确性。

光束质量测量是对激光器输出光束质量进行评估的方法之一。

常用的光束质量测量仪器有M2仪和光束质量分析仪。

M2仪适用于连续激光器的光束质量测量，光束质量分析仪适用于脉冲激光器的光束质量测量。

在进行光束质量测量时，需要注意选择适当的仪器，并进行仪器的校准，以确保测量结果的准确性。

稳定性测试是对激光器输出稳定性进行评估的方法之一。

常用的稳定性测试仪器有功率稳定性测试仪和波长稳定性测试仪。

在进行稳定性测试时，需要注意选择适当的仪器，并进行仪器的校准，以确保测量结果的准确性。

二、激光器的特性和性能测试指标激光器的特性和性能测试指标包括输出功率、波长、光束质量、稳定性等参数。

输出功率是指激光器输出的光功率，通常以瓦特（W）为单位。

波长是指激光器输出的光的波长，通常以纳米（nm）为单位。

光束质量是指激光器输出光束的质量，通常以M2值表示。

稳定性是指激光器输出功率、波长、光束质量等参数的稳定性。

激光器的增益介质特性与光波输出功率关系分析激光器作为一种重要的光学器件，广泛应用于科研、工业制造等领域。

而激光器的增益介质特性与光波输出功率之间的关系对于激光器设计和优化具有重要意义。

本文将从增益介质的特性以及其与光波输出功率之间的关系展开论述。

首先，我们来介绍一下激光器的增益介质。

增益介质是激光器中的一个关键组件，它能够对光波进行放大，从而产生激光输出。

常见的增益介质包括气体、固体和半导体等。

每种增益介质的特性不同，影响着激光器的输出功率。

在气体激光器中，常用的增益介质有二氧化碳、氦氖等。

其中，二氧化碳激光器在工业领域具有广泛应用，其增益介质CO2分子具有三个谐振频率，可以产生多个工作波长。

而氦氖激光器则可以产生可见光激光，对于显示技术等领域有着重要意义。

增益介质的选择与激光器的工作波长、输出功率等参数有关，需要根据具体应用需求进行调整。

在固体激光器中，常见的增益介质有Nd:YAG（钕掺杂钇铝石榴石）、Ti:sapphire（钛宝石）等。

这些增益介质以固体形式存在，具有较高的热导率和抗光学损伤性能。

尤其是Nd:YAG激光器，由于钕离子在激光器中的级跃能级结构，能够实现高能量、高功率激光输出。

而Ti:sapphire激光器则可调谐波长范围广、脉宽短，广泛应用于超快激光技术等领域。

而在半导体激光器中，增益介质常为半导体材料，如GaN（氮化镓）、InP（磷化铟）等。

半导体激光器具有体积小、功耗低、寿命长等优势，广泛应用于通信、显示等领域。

近年来，随着半导体材料研究的不断进展，半导体激光器在功率和效率方面得到了显著提高。

增益介质的特性直接影响着激光器的输出功率。

其首先表现在增益特性上。

增益介质具有某个特定波长的吸收带，当输入波长与吸收带相符时，增益介质将吸收能量并将其转换为激光输出。

因此，增益介质的带宽和增益特性决定了激光器的工作波长范围和输出功率。

此外，增益介质的储能时间也会对激光器的输出功率产生影响。

激光原理与技术期末总复习第1章1.激光产生的必要条件(粒子数反转分布)2.激光产生的充分条件(在增益介质的有效长度内光强可以从微小信号增长到饱和光强)3.饱和光强定义:使激光上能级粒子数减小为小信号值的1/2时的光强为饱和光强4.谱线加宽的分类:均匀加宽和非均匀加宽两种加宽的本质区别？5激光器泵谱技术的分类:直接泵谱缺点：首先从基态E1到激光上能级E3往往缺乏有效途径，即B13（对光泵浦）或σ13（对粒子泵浦）太小，难以产生足够的增益；其次即使存在E1 E3的有效途径，但同一过程可能存在由E1到激光下能级E2的有效途径，结果是W12/W13太大难以形成粒子反转分布。

这些缺点是直接泵浦方式对很多激光器来说是不适用的。

间接泵谱:分为自上而下、自下而上和横向转移三中方式)间接泵谱的优点：首先，中间能级具有远大于激光上能级的寿命，且可以是很多能级形成的能带，因而，Ei 上很容易积累大量的粒子；其次，在有些情况下，将粒子从基态激发到Ei 的几率要比激发到Eu 的几率大得多，这就降低了对泵浦的要求；最后，依据选择定则，可以使Ei 向Eu 的弛豫过程比Ei 向激光下能级Ei 的弛豫过程快得多6..频率牵引有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序数频率更接近工作物质的中心频率7.能画出激光工作物质三能级系统能级图，说明能级间粒子跃迁的动态过程？8.当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够自激振荡吗？为什么？9. 激光的特性(单色性、方向性、相干性和高亮度)10. 证明光谱线型函数满足归一化条件证明: ⎰⎰⎰+∞∞-+∞∞-+∞∞-====1)()()(ννννννd g I d Ig d I I则 11.激光器的输出特性。

（43页）？？？第2章1.光学谐振腔的分类和作用分类：能否忽略侧面边界，可将其分为开腔，闭腔以及气体波导腔按照腔镜的形状和结构，可分为球面腔和非球面腔是否插入透镜之类的光学元件，或者是否考虑腔镜以外的反射表面，可以分为简单腔和符合腔 u u u u S h A c h I τσντνπν11228==)211(2121111τττπν++++=∆∑∑u jj i ui H A A N D M T Mc kT 072/120)1016.7(])2(ln 2[2ννν-⨯==∆⎰+∞∞-=1)(ννd g根据腔中辐射场的特点，可分为驻波腔和行波腔从反馈机理的不同，可分端面反馈腔和分布反馈腔根据构成谐振腔反射镜的个数，可分为两镜腔和多镜腔作用：①提供轴向光波模的光学反馈；②控制振荡模式的特性2.光学谐振腔的损耗分类:几何损耗、衍射损耗、输出腔镜的透射损耗和非激活吸收、散射等其他损耗计算:单程损耗：12m βδ==D 为平平腔镜面的横向尺寸（反射镜的直接）β两镜面直接的小角度L 两镜面直接的距离（腔长）)单程衍射p59开始带图3.推导平平腔的两个相邻纵模的频率间隔证明：4.以平-平腔为例理解光学谐振腔横模的形成过程5. 用g 参数表示的谐振腔稳定性条件6..高斯光束高斯光束既不是平面波、也不是一般的球面波，在其传播轴线附近可以近似看作是一种非均匀高斯球面波。

固体激光器谐振腔腔长计算固体激光器是一种通过将电能或光能转化为激光能进行工作的光学器件。

固体激光器的核心部件是谐振腔，谐振腔的腔长对激光器的输出特性具有重要影响。

下面将详细介绍固体激光器谐振腔腔长的计算方法。

首先，我们需要了解一些基本概念。

谐振腔是指能够放大激光的光学腔室，由两个镜片组成。

其中一个镜片是半透明镜片，也称为输出镜，用于将激光从谐振腔中输出。

另一个镜片是高反射镜，用于反射激光，维持光在腔内来回传播。

谐振腔的腔长是指光在腔内传播一次所需的距离，通常用光的波长来表示。

对于一个简单的谐振腔，其腔长可以通过以下公式来计算：L = (m + 1/2) * λ / 2其中，L表示谐振腔的腔长，m是单程波数，λ是光的波长。

这个公式的推导基于以下几点：首先，光在腔内传播一次需要经过来回的两次传播。

其次，光线在高反射镜和输出镜之间形成来回传播的驻波。

第三，驻波的节点是在高反射镜和输出镜之间均匀分布的空间。

对于一个简单的谐振腔来说，单程波数m可以取任意整数。

当m取反数时，对应的谐振腔中的驻波节点在高反射镜和输出镜之间对称分布。

当m为正数时，驻波节点在高反射镜和输出镜之间不对称分布。

因此，m为负数时，对应的腔长是谐振腔的基本谐振模式，也是激光器输出的主要模式。

在实际应用中，谐振腔的腔长不仅仅取决于光的波长，还受到其他因素的影响。

例如，固体激光器中的激光介质的折射率、谐振腔的几何形状等都会对腔长产生影响。

因此，在实际计算腔长时，需要根据具体的情况进行修正。

除了基本的谐振腔计算方法外，还有一些其他的计算方法可以用于复杂的谐振腔。

例如，使用光学建模软件可以通过数值方法进行腔长的计算。

此外，还可以采用干涉测量法、振荡频率测量法等实验方法来确定谐振腔的实际腔长。

总之，固体激光器的谐振腔腔长是一个重要的参数，对其输出特性具有重要影响。

在实际计算中，可以使用基本的公式来计算腔长，同时根据具体的情况进行修正。

此外，还可以采用光学建模软件、实验测量等方法来确定腔长。