激光原理復(fù)習(xí)

1、1、氬離子激光器是多譜線激光器，常用的幾個(gè)光譜線是： （ C ） A）458nm、488nm和543nm；B）488nm、514nm和543nm；C）458nm、488nm和514nm； 2、氣體激光器工作物質(zhì)的線型展寬機(jī)制主要是： （ B ） A）均勻展寬；B）非均勻展寬；C）碰撞展寬； 3、激光器諧振腔的損耗主要包括： （ B ） A）內(nèi)部損耗和工作物質(zhì)的吸收；B）內(nèi)部損耗和鏡面損耗；C）工作物質(zhì)的吸收和鏡面損耗； 4、均勻增寬型介質(zhì)激光器穩(wěn)定工作后一般是單縱模輸出，其機(jī)理是：（ C ） A）均勻增寬型介質(zhì)的展寬函數(shù)帶寬很窄；B）縱模頻率間隔很大；C）增益飽和效應(yīng)引起的縱模競(jìng)爭(zhēng)； 5、高斯

2、激光束經(jīng)過(guò)凸透鏡變換后變?yōu)椋?（ A ） A）高斯光束；B）非高斯光束；C）不確定,一、選擇題(一,6、摻釹釔鋁石榴石（Nd3+: YAG）激光器常用輸出激光波長(zhǎng)是： （ A ） A）1060nm；B）550nm；C）10600nm； 7、與普通光源比較，激光具有如下特點(diǎn)： （ B ） A）方向性、單色性和相干性；B）方向性、相干性和高亮度；C）單色性、相干性和高亮度； 8、固體激光器工作物質(zhì)的線型展寬機(jī)制主要是： （ A ） A）均勻展寬；B）非均勻展寬；C）碰撞展寬； 9、下列機(jī)制屬于均勻增寬型物質(zhì)機(jī)制是（ A ） A）自然展寬和碰撞展寬；B）自然展寬和缺陷展寬；C）自然展寬盒多普勒展寬,

3、一、選擇題（二,10、激光器輸出的縱模頻率主要決定因素是：（ C ） A）激光介質(zhì)的熒光譜線；B）激光器腔長(zhǎng)；C）A和B 11、激光器工作物質(zhì)缺陷造成的展寬機(jī)制主要是：（ B ） A）均勻展寬；B）非均勻展寬；C）碰撞展寬； 12、激光器產(chǎn)生穩(wěn)定激光輸出的條件之一是：（ B ） A）實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；B）激光物質(zhì)的增益系數(shù)大于激光器的總體損耗閾值；C）有小激光輸入； 13、短焦距凸透鏡對(duì)高斯激光束的作用為：（ A ） A）會(huì)聚作用；B）發(fā)散作用；C）準(zhǔn)直作用； 14、激光共心腔是：（ B ） A）穩(wěn)定腔；B）臨界腔；C）非穩(wěn)腔,一、選擇題（三,1、激光器主要由 工作物質(zhì) 、 諧振腔 、 激勵(lì)能源

4、 三個(gè)部份組成。 2、光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)主要過(guò)程是 自發(fā)輻射 、 吸收 和 受激發(fā)射 。 3、光波在諧振腔內(nèi)的主要損耗包括 衍射損耗 、 散射損耗 和 雜質(zhì)吸收損耗 。 4、激光器駐波腔內(nèi)光場(chǎng)沿軸向的分布叫 縱模 ，其指數(shù) q 決定了駐波的波腹數(shù)，通過(guò)它可以算出激光的 頻率 ，駐波腔內(nèi)光場(chǎng)沿軸向橫切面的分布叫 橫模 ，其指數(shù) m, n 決定了沿軸向橫切面駐波的波節(jié)數(shù)，通過(guò)它們可以算出激光的傳播方向。 5、激光器振蕩的閾值條件是 增益大于損耗 。 6、實(shí)驗(yàn)上只要由測(cè)定了工作譜線的 中心波長(zhǎng) 和 線寬 ，其線型函數(shù)就被唯一確定。對(duì)于工作物質(zhì)來(lái)說(shuō)，均勻加寬的特點(diǎn)是原子群內(nèi)每一個(gè)原子所發(fā)出的光對(duì)譜

5、線內(nèi)所有的頻率都有貢獻(xiàn)，所有原子的線型函數(shù)都是相同的 ，而非均勻內(nèi)加寬的特點(diǎn)是不同的原子群有不同的線型函數(shù)，而總的線型函數(shù)是它們的包絡(luò)曲線,二、填空題（一,7、飽和效應(yīng)的存在使激光工作的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)N 隨激光光強(qiáng)I 的增加而 減少 。 8、四能級(jí)激光器的四個(gè)能級(jí)分別 泵浦能級(jí) 、 激光高能級(jí) 、 激光低能級(jí) 和 基態(tài)能級(jí)。 9、從穩(wěn)定性的角度，可把光學(xué)諧振腔分為 穩(wěn)定腔 、 非穩(wěn)腔 和 臨界腔三種。 10、單縱模激光束的理論線寬是 自發(fā)輻射 的存在引起的。 11、按照工作物質(zhì)原子對(duì)發(fā)光的貢獻(xiàn)的不同，壓力加寬的熒光線型函數(shù)屬 均勻加寬 ，多普勒加寬的熒光線型函數(shù)屬 非均勻加寬 。 12、三能級(jí)激光

6、器的三個(gè)能級(jí)分別為 泵浦能級(jí) 、 激光高能級(jí) 和 激光低能級(jí)（基態(tài)能級(jí)） 。 13、設(shè)在沒(méi)有鎖模前激光腔內(nèi)有2N1個(gè)模式，則鎖模后脈沖的光強(qiáng)可以增大到原來(lái)的 2N1 倍,二、填空題（二,三、簡(jiǎn)答題（一,1、簡(jiǎn)述受激輻射與自發(fā)輻射的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。 2、在He-Ne氣體激光器中，激光工作物質(zhì)是Ne原子，請(qǐng)說(shuō)明為何加入He原子？ 3、簡(jiǎn)述在CO2激光器中加入N2和He的作用。 4、均勻增寬型介質(zhì)激光器諧振腔內(nèi)能同時(shí)振蕩的縱模數(shù)主要由諧振腔長(zhǎng)以及激光工作物質(zhì)的熒光譜線決定，簡(jiǎn)述其理由。 5、簡(jiǎn)述非均勻型介質(zhì)激光器增益曲線上出現(xiàn)“燒孔”效應(yīng)的原理。 6、激光器輸出激光的頻率一般會(huì)出現(xiàn)漂移，簡(jiǎn)述引起激光

7、器漂移的主要因素,相同點(diǎn)：躍遷時(shí)都以光的形式釋放能量； 不同點(diǎn)：自發(fā)輻射式隨機(jī)的，發(fā)射的光子沒(méi)有確定的方向性，各光子之間沒(méi)有相同的偏振性，也沒(méi)有固定的相位關(guān)系，而受激輻射發(fā)射的光子與激發(fā)光子具有相同的傳播和偏振方向，并且具有固定的相位關(guān)系。 He原子容易被高速電子激發(fā)到高能級(jí)，而處于高能級(jí)的He原子很容易與Ne原子發(fā)生共振能量轉(zhuǎn)移從而將能量耦合給Ne原子，有助激光產(chǎn)生,N2：提高激發(fā)轉(zhuǎn)換效率；He：有效傳熱； 縱模頻率間隔為 vq=c/(2L) , 諧振腔內(nèi)可以同時(shí)振蕩的 縱模數(shù)由vF/vq決定。 如圖所示,在頻率為v1、強(qiáng)度為I 的光波作用下，可以計(jì)算出介質(zhì)的增益系數(shù): 在非均勻增寬型介質(zhì)中

8、，頻率為v1 、強(qiáng)度為I 的光波 只在附近寬度約為 的范圍內(nèi)有增益飽和作用 ，如圖下圖所示,根據(jù)激光縱模頻率與諧振腔長(zhǎng)的關(guān)系，溫度變化引起的熱脹冷縮從而引起激光諧振腔長(zhǎng)的變換，從而引起激光器輸出頻率的漂移；另外一個(gè)重要因素是溫度以及濕度的變化會(huì)引起激光工作物質(zhì)折射率的變化，從而引起激光器諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度的改變，并引起激光頻率的漂移,三、簡(jiǎn)答題（二,7、為何均勻增寬型介質(zhì)中存在模式競(jìng)爭(zhēng)，而非均勻增寬型介質(zhì)中卻沒(méi)有模式競(jìng)爭(zhēng)？ 8、蘭姆凹陷法穩(wěn)頻與飽和吸收法穩(wěn)頻是常用的兩種激光器穩(wěn)頻方法，二者原理有何不同？ 9、簡(jiǎn)述高斯激光束經(jīng)過(guò)透鏡變換后的特性變化。 10、簡(jiǎn)述激光鎖模技術(shù)的原理。 11、簡(jiǎn)述聲光

9、調(diào)Q的原理。 12、簡(jiǎn)述激光縱模和橫模概念的涵義及其二者的區(qū)別,在均勻增寬介質(zhì)中，任何頻率的縱模激光受激輻射消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)對(duì)所有縱模都是一樣的，隨著諧振腔能激光振蕩的加強(qiáng)，由于增益飽和效應(yīng)，激光增益曲線會(huì)整體下降，所以只有增益最大的縱?？梢岳^續(xù)振蕩，而其它低增益的縱模由于其增益系數(shù)小于損耗而消失。 非均介質(zhì)的增益曲線很寬，而且不同縱模激光消耗的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)知識(shí)與其對(duì)應(yīng)的那部分反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，而不會(huì)消耗其它縱模對(duì)應(yīng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，所以每一個(gè)縱模都只會(huì)在其頻率附近形成燒空效應(yīng),蘭姆凹陷法穩(wěn)頻是利用激光增益飽和現(xiàn)象在激光增益曲線中心頻率附近形成的蘭姆凹陷作為參考，若輸出激光強(qiáng)調(diào)偏大則立即反饋信號(hào)給調(diào)整激光

10、腔長(zhǎng)的壓電調(diào)節(jié)器調(diào)整激光腔長(zhǎng)從調(diào)整激光輸出頻率。而飽和吸收穩(wěn)頻法是在激光諧振腔中加入一個(gè)吸收峰靠近激光輸出頻率的德飽和吸收盒，這種吸收盒的吸收系數(shù)是激光諧振腔度的函數(shù)，諧振模越強(qiáng)對(duì)應(yīng)的吸收越小，所以當(dāng)輸出激光頻率偏移是會(huì)導(dǎo)致激光強(qiáng)度下降，由此反饋激光器一個(gè)調(diào)整諧振腔長(zhǎng)度的信號(hào)。相對(duì)于蘭姆凹陷，由于飽和吸收凹陷的深度深，寬度窄，所以其穩(wěn)頻效果更好,高斯光束經(jīng)過(guò)透鏡變換后仍然是高斯光束，只是其束腰半徑大小以及束腰半徑距離透鏡的距離會(huì)發(fā)生變換。如果入射高斯光束束腰距離透鏡的距離遠(yuǎn)大于透鏡的焦距，那么高斯光束經(jīng)過(guò)透鏡的變換規(guī)律與幾何光學(xué)成像規(guī)律一致；反之，成像規(guī)律卻與幾何光學(xué)成像規(guī)律完全相反,將所有縱

11、模的相位鎖定在一起，假設(shè)2N+1個(gè)縱模的振幅相同，則鎖模脈沖的光強(qiáng)I(t)正比于(2N+1)2E02, 可見(jiàn)鎖模脈沖的光強(qiáng)度與2N+1個(gè)縱模簡(jiǎn)單的疊加的強(qiáng)度擴(kuò)大了(2N+1)倍，縱模數(shù)越多，鎖模脈沖的寬度越窄，峰值功率就越大,采用某種辦法使諧振腔在泵浦開(kāi)始時(shí)處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時(shí)激光振蕩的閾值很高，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)即使累積到很高水平也不會(huì)產(chǎn)生振蕩；當(dāng)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到其峰值時(shí)，突然使腔的Q值增大，將導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益大大超過(guò)閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩，從而獲得能量巨大的短脈沖激光輸出,四、計(jì)算題（一,1、穩(wěn)定諧振腔的兩個(gè)反射鏡曲率半徑分別為R1=40cm，R2=100cm，求腔長(zhǎng)L的取值范圍,四

12、、計(jì)算題（二,2、穩(wěn)定諧振腔的一個(gè)反射鏡的曲率半徑R1=4L，求另外一個(gè)反射鏡曲率半徑的取值范圍,五、論述題（一,1、通常一臺(tái)固體激光器包含五大組成部分，請(qǐng)論述這五大部分的功能以及在設(shè)計(jì)激光器時(shí)按照什么原則設(shè)計(jì)這五大部分,激光工作物質(zhì)：提供實(shí)現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)主要從激光器的輸出的頻率波段考慮； 泵浦系統(tǒng)：將工作物質(zhì)的粒子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)高能態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)主要從激光器輸出功率大小，以及工作物質(zhì)的吸收譜方面考慮。 激光諧振腔：（1）延長(zhǎng)了激光工作物質(zhì)的工作長(zhǎng)度，從而增加激光器的增益；（2）約束激光器振蕩光的方向，從而保證激光器輸出光的方向性。設(shè)計(jì)時(shí)主要從激光器

13、的功率大小，輸出頻率波段的要求等方面考慮。 冷卻系統(tǒng)：將激光器內(nèi)的熱能帶走，確保激光器的溫度不要過(guò)高，從而影響激光器的壽命和正常工作。設(shè)計(jì)時(shí)主要從激光器的輸出功率的大小以轉(zhuǎn)換效率方面考慮,五、論述題（二,2、氣體激光器是常用的激光器，請(qǐng)從以下幾個(gè)方面分別論述制造一臺(tái)單模、高功率、穩(wěn)頻激光器的設(shè)計(jì)原理和方案：（1）為何氣體激光器一般是多縱模輸出？（2）如何實(shí)現(xiàn)高功率輸出？（3）實(shí)現(xiàn)單縱模輸出的原理和具體方案；（4）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻激光輸出的原理和具體方案,氣體激光器是非均勻增寬型介質(zhì)； 選擇四能級(jí)系統(tǒng)； 采用法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法或者復(fù)腔法選擇單縱模； 采用蘭姆凹陷法或飽和吸收發(fā)穩(wěn)頻,五、論述題（三,3、諧振腔是激光器的重要部件，對(duì)激光的產(chǎn)生以及產(chǎn)生的激光性質(zhì)具有重要的作用。請(qǐng)從如下幾個(gè)方面詳細(xì)分析激光諧振腔的作用及其作用的原理。1）延長(zhǎng)工作物質(zhì)的長(zhǎng)度；2）決定激光的方向性；3）決定激光的單色性；4）決定激光的相干性；5）對(duì)激光輸出頻率的穩(wěn)定作用,激光在諧振腔之間來(lái)回傳播反復(fù)經(jīng)過(guò)激光工作物質(zhì)，相當(dāng)于延長(zhǎng)了工作物質(zhì)的長(zhǎng)度； 由于只有在諧振腔