调Q目的。 ⒉染料调Q技术
利用染料对光的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。 ⒊电光调Q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。 ⒋声光调Q技术
如图3－31所示，声光器件在腔内按布拉格条件放臵。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。
⒂ 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： ⒈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相位同步的锁模技术。 ⒉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。 ⒊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。
⒃ 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。
第四章 光波导技术基础
⒈某光纤传输的波段为0.8?0.9?m。若每一路电话带宽为4kHz，每套彩电节目带宽10MHz，则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目？
c 光纤传输的频率f?,故它传输波段为3.333?1014?3.75?1014， ?f?0.417?1014,
?0.417?1014能传播的电话数目N1??1.04?1010 34?100.417?10146能传播的彩电数目N2? ?4.17?10610?10
⒉ 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4－1和4－2所示： ⑴???c12??c13
此时，上、下界面均满足全反射条件。在满足相位匹配方程：
2k0n1dcos???12??13?m?2?(m?0,1,2,?)
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???c12??c13n1的所有?角入射的光场均可形成导波，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?c12的?m（?m??c12）才能形成导波，且m越大，?m越小，即小的入射角度相应的模式阶次高，z向单位长度内导模上下振荡次数多。 ⑵?c13????c12
在n1、n3界面反射，n1、n2界面投射，光线向衬底n2辐射，不再形成导波，称为衬底辐射模 ⑶???c13
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。
⒊ 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。
⒋ 推导三层平板波导TM模本征方程。 由于H(r,t)?H(x,y)ej(?t??z)，
?D?j??E ?t 将场的横向分量用纵向分量表示得
由麦克斯韦方程??H?? Hx??1?Ez?Hz?j??Hz (j???j?)??2222k???y?xk???x?1?Ez?Hzj???Ez (j???j?)??k2??2?y?xk2??2?x Hy? 对于横磁波，即Hz?0的波，可得 Hx?0 Hy??Hy?x??Ex ??j??Ez
由此可见，TM波只有唯一的横向磁场分量Hy。对TM波仅需求解波动方程
2??)Hy?0 ?2Hy?(k2n2
由于H(x,y)仅有Hy分量，因而波动方程简化为：
?22Hy?0 (?d?x?0) 波导层 2Hy?(k02n12??)
?x?22Hy?0 (x??d) 衬底层 2Hy?(k02n22??)?x?22Hy?0 (x?0) 覆盖层 2Hy?(k02n32??)
?x?Hy 于是其满足导波条件(k0n2???k0n1)及边界条件(x?0及x??d处Hy、连续)的模场
?x表达式为
??Ae?qx(x?0)??Hy(x)??A?cos(hx)?(q)sin(hx)?(?d?x?0)
h??????p(x?d)?q)sin(hx)?(x??d)eAcos(hx)?(?h?????式中 h?k02n12??2 q??2?k02n32
n22 p??2?k02h(p?q)p?q ?h2?pqh(1?pq)h2 此式即为TM模的本征方程。
⒌ 推导四层平板波导TE模场分布表达式及其本征方程（设厚衬底层2上生长波导层1，1
且有 tan(hd)?上覆缓冲层3，这一结构臵于空气层4中，且
n1?n2?n3?n4）。
⒍ 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n1）和外层的包层（折射率n2）两同心圆形的双层结构组成，且n1?n2。外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。
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n2k0???n1k0。在纤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Z方向传播。
漏模是在纤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
n2k0??。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，
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??n2k0。在此条件下，波导完全处于介质状态，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。
⒎ 设有一平面介质波导，各层折射率分别为n1=2.21, n2=2.1, n3=1,波导层厚度d?4.6?m。
3?2若总反射相移为，则当入射光波长为1.31?m时，
⑴波导中能传输的模式总数是多少？
⑵要想传输单漠，波导层厚度应如何设计？
⑶若要传输1.55?m的入射激光，重复⑴、⑵的计算。
2??4.6?10?622?n?n2??2.21?2.1?4.8356? ⑴归一化频率 V??6?01.31?102?d212 传播模数 m?1?(V??12??21(V?13)?1?(4.8356??0.75?)?4.0856
故传播模式总数为5。 ⑵由题意 m?1 得 V?1.7?5 得
d?1.75?02n?n2122?12??132?)<1
?1.665?m
2??4.6?10?622?n?n2??2.21?2.1?4.0869? ⑶归一化频率 V??6?01.55?102?d212 传播模数 m?1?(V??12??2113)?1?(4.0869??0.75?)?3.3369
故传播模式总数为4。 ⑵由题意 m?1 得 V?1.7?5 得 d?
⒏ 波长为1.3?m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n1?1.52，
n2?1.42
1.75?02n?n2122?(V??12??132)<1
?1.970?m
⑴若将其至于空气（折射率为1）中，则其数值孔径、最大入射角及芯径分别为多少？ ⑵若将其臵于水（折射率为1.33）中呢？
2?1.42?0.542 ⑴数值孔径 N.A.?n12?n22?1.522N.A.?n0sin?max 得
?max?arcsin0.542?32.820