★普通单模光纤的零色散波长大约为多少？色散位移光纤(DSF) 是利用什么原理制成的？ 普通单模光纤的材料色散系数Dm、波导色散系数Dw和总色散D随波长变化的曲线,总色散在1.31μm附近为零,这个波长称为零色散波长。而在1.55μm附近色散系数D=15～18ps/(km?nm)。 在1.55μm附近的损耗最低,如果合理地设计光波导的结构就可以把零色散波长位移到1.55μm附近,这样1.55μm附近色散也最小,利用这种原理制成色散位移光纤(DSF)。无疑对长距离大容量的光纤通信是十分有利的。 ★简述光接收机中噪声的主要来源： 光接收机的噪声是与信息无关的随机变化量，分为:与信号光电检测器有关的噪声包括量子噪声、雪崩倍增噪声、暗电流和背景噪声等；与光接收机电路有关的的噪声包括放大器噪声、负载热电阻噪声等。 ★简述掺饵光纤放大器主要由几部分构成： 掺饵光纤放大器主要由掺饵光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成。 光耦合器是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件；光隔离器是保证光信号只能正向传输的器件；光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声,降低噪声对系统的影响,提高系统的信噪比。 ★光纤的数值孔径NA＝sinθmax它的含义是什么？ 答:θmax是光纤纤芯所能捕捉的射线的最大入射角,意味着射入角小于θmax的所有射线均可以被光纤所捕捉,因此数值孔径NA＝sinθmax表示光纤捕捉光射线的能力。 ★★五、计算题★★ ★★★★★用单色光照射到相距为a=0.2mm的双缝上,双缝与屏幕的垂直距离为1米。试求:(1)从第一级明纹到同侧第四级明纹的距离为7.5mm,求单色光的波长；(2)若入射光的波长为5x10-7m,求相邻两明纹间的距离。 答:(1)xk=土kλd'/d,k=0,1,2……；Δx14=x4-x1=(k4-k1)λd'/d；λ=dΔx14/d'(k4-k1)=500nm。(2)Δx=λd'/d=2.5mm。。 ★★★★用两块偏振片装成起偏器和检偏器,在它们的偏振化方向成θ1=30°时,观测一束单色自然光,又在θ2=60°时,观测另一单色自然光.设两次所得的透射光强度相等.求两束光的强度之比. 答:I'=Icosθ^2,所以I1'=I1cosθ1^2,I2'=I2cosθ 2^2,I'=I1'=I2',I1cos60^2=I2cos30^2,I1/I2=3:1。 ★★★★弱导波阶跃光纤芯子和包层的折射指数分别为n1=1.5,n2=1.45,试计算:(1)纤芯和包层的相对折射指数差Δ。(2)光纤的数值孔径NA。 答:对于弱导波光纤:Δ=(n1-n2)/n1=(1.5-1.45)/1.5=0.033;NA=n1√(2Δ)=1.5√(2*0.033)=0.387。 ★★★★用平行单色可见光垂直照射到宽度为a=0.5mm的单缝上,在缝后放置一个焦距f=100cm的透镜,则在焦平面的屏幕上形成衍射条纹。若在屏上离中央明纹中心距离为1.5mm处的p点为一亮纹,试求:(1)入射光的波长(2)p点条纹的级数、该条纹对应的衍射角和狭缝波面可分成的半波带数目。(3)中央明纹的宽度。答:(1)asinQ=(2k+1)入/2，当Q较小时sinQ=x/f，入=2ax/f(2k+1)=)nm,当k=1时，入=500nm，当k=2时，入=300nm，因为k越大得到的波长越小，当k>=2时求出的波长均不在可见光范围内。所以入=500nm。(2)因为p点的明纹对应的k=1，所以是第一级明纹。这级明纹对应的衍射角由k=1时asinQ=(2k+1)入/2，求得Q=0.086°，狭缝处的波面所分的波带数和明条纹对应的级数关系为：半波带=2k+1。因为k=1，所以狭缝处的波面可分为3个半波带。（3）△x=2f入/a=2mm。 ★★一单色光垂直照在厚度均匀的薄油膜上。油的折射率为1.3,玻璃的折射率为1.5 ,若单色光的波长可由光源连续调节,并观察到500nm与700nm这两个波长的单色光在反射中消失,求油膜的厚度。 答:答:垂直照射光程差&=2n2e=(2k+1)入/2,k=0,1,2…，n2=1.3，入=500nm时，2n2e=(2k1+1)500/2，入=700nm时，2n2e=(2k2+1)700/2，得7k2+1=5k1，k值随波长增大而减小，在500nm到700nm时，不存在入3和对应的整数，k3满足&式，所以k2+1=k1，求得k1=4，k2=3，将k=3带入得到e=(2k1+1)入1/2*2*n2=673.1nm。 ★ ★一波长为λ=600nm的单色平行光垂直照射一个光栅上,光栅常数为d=6μm,问第二级明纹所对应的衍射角φ为多少? 答:由光栅公式(a+b)sinQ=土k入，第2级明纹满足(a+b)sinQ=2入,因为(a+b)=6um，求得Q=arcsin0.2=11.54°。 ★ ★He―Ne激光器的中心频率?0?4.74?1014 Hz,自发辐射谱线宽度为???6?10 Hz,若想获得单模输出,腔长应为多少? 8答:设激光器腔长为L，△vm=c/2nL=3*10^8/2*1*L,N=△v/△vm=4L,要想获得单模输出，则△v<2△vm=c/nL,所以L<c/n△v=3*10^8/6*10^8=0.5,即腔长最长不能超过0.5m。 ★★某单模光纤通信系统,光发射机的平均发送光功率为0.8 mw,接收机灵敏度为-37 dBm,全程光纤平均接头损耗为0.04 dB/km,设计要求系统富裕度为6 dB,无中继传输距离为80 km,试问在选取光缆时,光纤的每公里损耗最大为多少？
★★有一个光纤通信系统,其码速率为622.080Mb/s,平均发送光功率PT的最大值0dBm,活动连接器ACT和ACR为0.4dB,设备富余度ME为3dB,光纤衰减系数Af取值1550nm取0.2dB/km,平均熔接接头损耗AS/Lf为0.05dB/km,线路富余度MC为0.06dB/km。接收机灵敏度PR为-31.2dBm,试估算最大中继距离。 L?PT?PR?ACT?ACR?Pd?MAf?As/Lf?MCE?0?(?31.2)?2?0.4?1?30.2?0.05?0.06?85.16km河北大学物理学院2010激光原理习题选解_百度文库
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河北大学物理学院2010激光原理习题选解
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He-Ne激光的纵模及基模的远场发散角
导读：He-Ne激光的纵模及基模的远场发散角，体会谐振腔调整之后一些激光参数的变化，1、He-Ne激光器模式分析，要测量和分析出激光器所具有的纵模个数，1、He-Ne激光器模式分析（1）点燃外腔激光器，首先使激光束从光阑小孔通过，2、He-Ne外腔激光器谐振腔调整，体会出光功率、光斑图案（横模式花样）等激光参数的变化，3.计算基模的远场发散角，He-Ne激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干涉仪He-Ne激光的纵模及基模的远场发散角 一、实验目的：
1、通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。
2、对实验中使用的重要分光仪器――共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确使用。 3、熟悉谐振腔的构成，学会调整的方法，体会谐振腔调整之后一些激光参数的变化。 二、实验内容： 1、He-Ne激光器模式分析 要测量和分析出激光器所具有的纵模个数，纵模频率间隔值，横模个数，横模频率间隔值，不同位置基模对应的光斑图形 1）通过共焦球面干涉仪接示波器观察纵模频率间隔，再根据自由光谱范围的定义，确定它所对应的频率间隔（即哪两条谱线间距为ΔvS.R. ）为减少测量误差，需要对x轴增幅，测出与ΔvS.R.相对应的标尺长度，计算出两者比值，即每厘米代表的频率间隔值。 （2）通过减小光阑大小，观察模式变化。1、He-Ne激光器模式分析 （1）点燃外腔激光器。 （2）调整光路，首先使激光束从光阑小孔通过，调整扫描干涉仪上下、左右位置，使光束正入射孔中心，再细调干涉仪板架上的两个方位螺丝，使从干涉仪腔镜反射的最亮的光点回到光阑小孔的中心附近，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。 （3）将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。接通放大器、锯齿波发生器、示波器的开关，观察示波器上的展现的频谱图，进一步细调干涉仪的两个方位螺丝，使谱线尽量强，噪声最小。 （4）改变锯齿波输出电压的峰值，看示波器上干涉序的数目有何变化，确定示波器上应展示的干涉序个数。根据干涉序个数和频谱的周期性，确定哪些模属于同一k序。 （5）根据自由光谱范围的定义，确定它所对应的频率间隔（即哪两条谱线间距为ΔvS.R. ）为减少测量误差，需要对x轴增幅，测出与ΔvS.R.相对应的标尺长度，计算出两者比值，即每厘米代表的频率间隔值。 （6）在同一干涉序k内观测，根据纵模定义对照频谱特征，确定纵模的个数，并测出纵模频率间隔ΔvΔq＝1。与理论值比较，检查辨认和测量的值是否正确。 （7）根据定义，测量扫描干涉序的精细常数F。为提高测量的准确度，需将示波器的x轴再增幅，此时可利用经过计算后已知的最靠近的模间隔数值找标尺，重新确定比值，即每厘米代表的频率间隔值。 2、He-Ne外腔激光器谐振腔调整 分别调整腔内的光阑开口大小（管径），反射膜片距离（腔长），膜片俯仰倾斜程度，体会出光功率、光斑图案（横模式花样）等激光参数的变化。并且练习从无光到有光的调腔过程（十字叉丝法）。 3.计算基模的远场发散角。 三、实验仪器：
He-Ne激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干涉仪、锯齿波发生器、放大器、示波器等。
四、实验原理：
1.激光器模的形成 激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式,将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布,由于自发辐射和受激辐射的作用,将有一定频率的光波产生,在腔内传播,并被增益介质逐渐增强、放大。被传播的光波决不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是光中心波长而已）。因能级有一定宽度，所以粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽迭加而成。不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低气压、小功率?的He-Ne激光器6328A谱线，则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz，只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，还需要有谐振腔对它进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定持续的振荡，才有激光输出的可能。而形成持续振荡的条件是，光在谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍，即 2μL＝qλq
（6） 这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强，其它则相互抵消。式中，μ是折射率，对气体μ≈1，L是腔长，q是正整数，每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布λq，叫一个纵模，q称作纵模序数。q是一个很大的数，通常我们不需要知道它的数值。而关心的是有几个不同的q值，即激光器有几个不同的纵模。从式（6）中，我们还可以看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，q值反映的恰是驻波波腹的数目。纵模的频率为 vq?qc2?L
(7) 同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔 ?v?q?c2?L?c2L
(8) ?1从式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比。即腔越长，Δν纵越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反腔越短，Δν纵越大，在同样的增宽曲线范围内，纵模个数就越少，因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。 2. 共焦球面扫描干涉仪
图4 共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器，已成为激光技术中一种重要的测量设备。实验中使用它，将彼此频率差异甚小（几十至几百MHz），用眼睛和一般光谱仪器不能分辨的，所有纵模、横模展现成频谱图来进行观测的。它在本实验中起着不可替代的重要作用。 共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔。由两块球形凹面反射镜构成共焦腔，即两块镜的曲率半径和腔长相等，R1＝R2＝l。反射镜镀有高反射膜。两块镜中的一块是固定不变的，另一块固定在可随外加电压而变化的压电陶瓷上。如图4所示，图中，①为由低膨胀系数制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜R1和R2总是处在共焦状态。②为压电陶瓷环，其特性是若在环的内外壁上加一定数值的电压，环的长度将随之发生变化，而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关系，这正是扫描干涉仪被用来扫描的基本条件。由于长度的变化量很小，仅为波长数量级，它不足以改变腔的共焦状态。但是当线性关系不好时，会给测量带来一定的误差。 扫描干涉仪有两个重要的性能参数，即自由光谱范围和精细常数常要用到，以下分别对它们进行讨论。 （1）自由光谱范围
图5 当一束激光以近光轴方向射入干涉仪后，在共焦腔中径四次反射呈x形路径，光程近似为4l，见图5所示，光在腔内每走一个周期都会有部分光从镜面透射出去。如在A,B两点，形成一束束透射光1，2，3...和1′,2′,3′...，这时我们在压电陶瓷上加一线性电压，当外加电压使腔长变化到某一长度la，正好使相邻两次透射光束的光程差是入射光中模的波长为λa的这条谱线的整数倍时，即 4la＝kλa
（11） 此时模λa将产生相干极大透射，而其它波长的模则相互抵消（k为扫描干涉仪的干涉序数，是一个整数）。同理，外加电压又可使腔长变化到lb，使模λb符合谐振条件，极大透射，而λa等其它模又相互抵消…。因此，透射极大的波长值和腔长值有一一对应关系。只要有一定幅度的电压来改变腔长，就可以使激光器全部不同波长（或频率）的模依次产生相干极大透过，形成扫描。但值得注意的是，若入射光波长范围超过某一限定时，外加电压虽可使腔长线性变化，但一个确定的腔长有可能使几个不同波长的模同时产生相干极大，造成重序。例如，当腔长变化到可使λb极大时，λa会再次出现极大，有 4ld＝kλd＝（k＋1）λa
（12） 即k序中的λd和k＋1序中的λa同时满足极大条件，两种不同的模被同时扫出，迭加在一起，因此扫描干涉仪本身存在一个不重序的波长范围限制。所谓自由光谱范围（S.R.）就是指扫描干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差，用ΔλS.R.或者ΔvS.R.表示。假如上例中ld为刚刚重序的起点，则λd-λa即为此干涉仪的自由光谱范围值。径推导，可得 ?2aλd－λa＝4l
（13） 由于λd与λa间相差很小，可共用λ近似表示 ?2aΔλS.R.＝4l
（14） 用频率表示，即为 cΔvS.R.＝4l
（15） 在模式分析实验中，由于我们不希望出现（12）中的重序现象，故选用扫描干涉仪时，必须首先知道它的ΔvS.R.和待分析的激光器频率范围Δv，并使ΔvS.R.> Δv,才能保证在频谱面上不重序，即腔长和模的波长或频率间是一一对应关系。 自由光谱范围还可用腔长的变化量来描述，即腔长变化量为λ/4时所对应的扫描范围。因为光在共焦腔内呈x型，四倍路程的光程差正好等于λ，干涉序数改变1。 另外，还可看出，当满足ΔvS.R.> Δv条件后，如果外加电压足够大，可使腔长的变化量是λ/4的i倍时，那么将会扫描出i个干涉序，激光器的所以模将周期性地重复出现在干涉序k，k＋1，...，k＋i中，如图6所示。 ΔνS.R.q-1qq+1q-1qq+1ν
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★★一 、填空题★★
★光接收机中,PIN光电二极管引入的主要噪声有(暗电流)噪声和(量子)噪声。
★光隔离器是一种只允许光沿(一个方向)通过而在(相反方向输出功率与效率输出光谱特性响应速率与带宽光纤≥
★表示光纤色散程度的物理量是(C)
★STM-1每秒可传的帧数是(A)
★处于高能级E2的电子,在未受外界激发的情况下,自发地跃迁到低能级E1,从而发射出一个能量为hf(=E2-E1)的光子的过程称为(A)
A.自发辐射
B.受激吸收
C.受激辐射
D.非辐射复合
★PIN光电二极管,因无雪崩倍增作用,因此其雪崩倍增因子为。(C)
★光纤通信系统中常用的光源主要有:(D)
A．光检测器、光放大器、激光器
B．半导体激光器、光检测器、发光二极管
C．PIN光电二极管、激光、荧光
D．半导体激光器LD、半导体发光二极管
★STM—1中信息净负荷的字节数为。(C)
★光纤的连接分为(C)
A．固定连接和永久性连接
B．固定连接和熔连接
C．固定连接和活动连接
D．粘连接和熔连接
★从射线理论的观点看,在阶跃型光纤中,入射子午光线形成导波的条件是:光线在光纤端面上的入射角必须满足的条件为(B)
A. ≥arcsin
B.0≤≤arcsin C. ＞arcsin
D.0≤≤arcsin
★EDFA的最大输出功率常用(B)来表示。
A. 饱和输出功率
B. 3dB饱和输出功率
C. 功率增益
★光发射机的消光比,一般要求小于或等于 (B)
★EDFA中光滤波器的主要作用是(A)
A.降低光放大器输出噪声
B.消除反射光的影响
C.提高光放大器增益
D.使光信号再生
★为了使雪崩光电二极管正常工作,在其P－N结上应加(D)
A.高正向偏压
B.低正向偏压
C.低反向偏压
D.高反向偏压
★不属于无源光器件的是(B)
A.光定向耦合器
B.半导体激光器
C.光纤连接器
D.光衰减器
★阶跃型光纤中数值孔径的计算式为(C)
★随着激光器使用时间的增长,其阈值电流会(C)
A.逐渐减少
B.保持不变
C.逐渐增大
D.先逐渐增大,后逐渐减少
★以下指标不是掺铒光纤放大器特性指标的是。(D)
A.功率增益
B.输出饱和功率
C.噪声系数
D.倍增因子
★下述有关光接收机灵敏度的表述不正确的是(A)
A. 光接收机灵敏度描述了光接收机的最高误码率
B. 光接收机灵敏度描述了最低接收平均光功率
C. 光接收机灵敏度描述了每个光脉冲中最低接收光子能量
D. 光接收机灵敏度描述了每个光脉冲中最低接收平均光子数
★★三、名词解释★★
★数值孔径:表示光纤捕捉光射线能力的物理量,用NA表示:,是光纤能捕捉的射线的最大入射角。
★mBnB码:又称分组码，它是把输入信码流中每m比特码分为一组,然后变换为n比特(n＞m)输出。
★瑞利散射损耗:光纤在加热制造过程中,热扰动使原子产生压缩性的不均匀,造成材料密度不均匀,进一步造成折射率不均匀,这种不均匀性在冷却过程中固定下来并引起光的散射,造成瑞利散射损耗。
★法拉第效应:不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转,也称磁致旋光效应。
★插入码:插入比特码是将信码流中每m比特划为一组,然后在这一组的末尾一位之后插入一个比特码输出.
★粒子数反转分布:在外界能量作用下,处于低能级的粒子将不断地被激发到高能级上去,从而使高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数,这种分布状态称为粒子数的反转分布。
★光纤色散:光信号通过光纤传播期间,波形在时间上发生展宽的现象称为光纤色散。
★光接收机的灵敏度:在保证一定误码率的条件下,光接收机所需接收的最小光功率。
★光时分复用(OTDM):将多个通道的低速率数字信息以时间分割的方式插入到同一个物理信道(光纤)中,复用之后的数字信息成为高速率的数字流。
★抖动:所谓抖动一般指定时抖动，它是数字传输中的一种不稳定现象，即数字信号在传输过程中，脉冲在时间间隔上不再是等间隔，二是对时间变化的一种现象，这种现象就成为抖动。
★波分复用(WDM):是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号，在发射端经复用器汇合，并将其耦合到同一
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