《激光原理》復(fù)習(xí)

1、一. 選擇題（單選）（共20分，共10題，每題2分）1. 下列表達(dá)式哪一個(gè)不是激光振蕩正反饋條件：DA.C2kL 2q B. q 2Lq C. LD. 2kL2.F列條件哪一個(gè)是激光振蕩充分必要條件:為往返相移）A.2 q,G0In (ad)B.2 q,C.2 q,D.2 q, G3.A.下列腔型中, 凹凸腔肯定為穩(wěn)定腔的是B.平凹腔C.對(duì)稱共焦腔D.共心腔精品文檔交流精品文檔交流4. 下面物理量哪一個(gè)與激光器閾值參數(shù)無(wú)關(guān)，DA. 單程損耗因子B.腔內(nèi)光子平均壽命C. Q值與無(wú)源線寬D.小信號(hào)增益系數(shù)5. 一般球面穩(wěn)定腔與對(duì)稱共焦腔等價(jià)，是指它們具有： AA.相同橫模B.相同縱模C.相同損耗D

2、.相同諧振頻率6. 下列公式哪一個(gè)可用于高斯光束薄透鏡成像A 其中q z if，R為等相位面曲率半徑,精品文檔交流精品文檔交流L為光腰距離透鏡距離1q：1q21 ； B.丄丄FR1R21 ； C.丄丄FL1L21 ； D.丄丄FL1L2精品文檔交流7. 關(guān)于自發(fā)輻射和受激輻射，下列表述哪一個(gè)是正確的？C 。A. 相同兩能級(jí)之間躍遷，自發(fā)輻射躍遷幾率為零，受激輻射躍遷幾率不一定為零;B. 自發(fā)輻射是隨機(jī)的，其躍遷速率與受激輻射躍遷速率無(wú)關(guān)；C. 愛因斯坦關(guān)系式表明受激輻射躍遷速率與自發(fā)輻射躍遷速度率成正比；D. 自發(fā)輻射光相干性好。8. 入射光作用下，CA. 均勻加寬只有部份原子受激輻射或受激吸

3、收；B. 非均勻加寬全部原子受激輻射或受激吸收；C. 均勻加寬原子全部以相同幾率受激輻射或受激吸收；D. 非均勻加寬全部原子以相同幾率受激輻射或受激吸收。9. 飽和光強(qiáng) CA .與入射光強(qiáng)有光B.與泵浦有關(guān)；C.由原子的最大躍遷截面和能級(jí)壽命決定；D. 與反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度有關(guān)。10. 下列條件哪一個(gè)是激光器穩(wěn)定振蕩條件？AA.G（v,lv） Gt ； B. G0（v,v。） Gt ； C.G0（v,v。） Gt ； D.G（v,Iv） Gt二. 填空題（共20分，共20空，每空1分）1. 電光效應(yīng)是指在外加電場(chǎng)的作用下，晶體的折射率橢球發(fā)生變形，使沿特定方向傳播的線偏振光折射率發(fā)生相應(yīng)變化。2.

4、 KDP晶體沿縱向加電壓，折射率橢球感應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)了45度，如果所加的電壓為“半波電壓”，則線偏振光偏振方向?qū)⑿D(zhuǎn)90度。3. 橫向電光調(diào)制中，存在自然雙折射影響。4. 拉曼-納斯聲光衍射產(chǎn)生多級(jí)衍射光，布拉格衍射只產(chǎn)生一級(jí)衍射光。5. 布拉格衍射可用于聲光移頻和光束掃描；當(dāng)進(jìn)行光束掃描時(shí)，通過(guò)改變超聲波的頻率 來(lái)實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。聲光調(diào)制通過(guò)改變超聲波的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。6. 調(diào)Q就是調(diào)制激光器 損耗，當(dāng)反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度較低時(shí),Q值很低，激光器不能振蕩；當(dāng)反轉(zhuǎn)集 居數(shù)密度 最大 時(shí)，突然增加Q值，激光器迅速振蕩，形成最大功率的巨脈沖。7. 電光調(diào)Q脈沖能量比較高，但重復(fù)頻率 低；聲光調(diào)Q脈沖能量比較低，但重復(fù)

5、頻率比較8. 鎖模激光器輸出周期為2L的脈沖串，脈沖峰值功率正比于模式數(shù)目的平方。C9. 有效光學(xué)倍頻、光學(xué)參量振蕩等二階非線性必須滿足相位匹配條件。10. 倍頻和光學(xué)參量振蕩基于二階非線性極化，光學(xué)相位共軛基于三階非線性極化。三. 簡(jiǎn)答題（共10分）1. 給出一至二個(gè)光子概念實(shí)驗(yàn)例子（3分）黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓散射。2. 帶偏振器的電光調(diào)Q激光器中在電光晶體上加/4電壓，為什么不是 /2電壓？ （ 3分）往返通過(guò)。3. 倍頻對(duì)晶體對(duì)稱性有怎樣的要求？（4分）對(duì)稱性差。四. 簡(jiǎn)述題（共30分）1. 簡(jiǎn)述受激輻射和自發(fā)輻射的區(qū)別與聯(lián)系（6分）受激輻射是原子在外界入射光擾動(dòng)下原子從高能級(jí)向低

6、能級(jí)躍遷產(chǎn)生的輻射，自發(fā)輻射是原子不受外界入射光擾動(dòng)下從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷所產(chǎn)生的輻射。（2分）受激輻射的光頻率、傳播方向、偏振方向與入射光完全相同，自發(fā)輻射光傳播方向、偏振方向是隨機(jī)的，光頻率譜線加寬范圍內(nèi)均勻分布。（2分）分配在一個(gè)模式中自發(fā)輻射躍遷速率等于相同模式內(nèi)一個(gè)光子擾動(dòng)所產(chǎn)生的受激輻射速率。2. 簡(jiǎn)述非均勻加寬工作物質(zhì)“燒孔”現(xiàn)象（6分）頻率為i的光入射到非均勻加寬工作物質(zhì)，只有表觀中心頻率° w附近的原子與光有有效相 互作用；表觀中心頻率遠(yuǎn)離光頻率 v1的原子沒有有效相互作用。（3分） 因此在表觀中心頻率°%附近，由于飽和效應(yīng)反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度下降；在表觀中心頻

7、率遠(yuǎn)離光頻Vi，反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度不變。所以在 °£附近，增益系數(shù)下降，其它頻率處增益系數(shù)仍為小信號(hào)增益，形成一凹陷，稱為“燒孔”。（3分）3. 簡(jiǎn)述蘭姆凹陷成因（6分）氣體多普勒加寬激光器，腔內(nèi)相反方向傳播的兩束激光，當(dāng)激光頻率不等于原子中心頻率時(shí)，兩束激光與不同表觀中心頻率原子相互作用，有兩部分原子對(duì)激光增益有貢獻(xiàn)；當(dāng)激光頻率等于原子中心頻率時(shí)，兩束激光與都與中心頻率原子相互作用，只有一部分原子對(duì)激光的增益有貢獻(xiàn)。（3分）所以當(dāng)激光頻率不等于原子中心頻率，但離中心頻率不遠(yuǎn)時(shí)，兩部分原子對(duì)激光的貢獻(xiàn)比一部 分原子貢獻(xiàn)大，因此在激光頻率等于原子中心頻率出， 激光器輸出功率比激光

8、頻率在中心頻率附近 低。這個(gè)現(xiàn)象稱為蘭姆凹陷。（3分）電光晶體（KDP）置于兩個(gè)成正交的偏振器之間，其中起偏器 P的偏振方向平行于電光晶體的x 軸，檢偏器p2的偏振方向平行于y軸，當(dāng)沿晶體z軸方向加電場(chǎng)后，它們將旋轉(zhuǎn)45變?yōu)楦袘?yīng)主軸X，Iy。因此，沿z軸入射的光束經(jīng)起偏器變?yōu)槠叫杏赬軸的線偏振光，進(jìn)入晶體后（Z 0）被分解為沿Ix和y方向的兩個(gè)分量。（3分）E E '當(dāng)光通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的晶體后，由于電光效應(yīng)，Ex'和y二分量間就產(chǎn)生了一個(gè)相位差。成為橢圓偏振光，再經(jīng)過(guò)檢偏正器 P2時(shí)，只有平行于y軸的光能通過(guò)。（3分）1/4波片的作用是將工作點(diǎn)置于斜率最大處。五.計(jì)算證明題（每題

9、10分，共20分）1 證明：采用傳輸矩陣證明任意高斯光束在對(duì)稱共焦腔中均可自再現(xiàn)。（5分）對(duì)稱共焦腔往返傳播矩陣T 01(2 分)自再現(xiàn)變換q2Aq1 BCqi D1 qi o0 qi( 1)qi2、穩(wěn)定諧振器的兩塊反射鏡，其曲率半徑 R 40cm , R2100cm，激光波長(zhǎng)為500nm. （15 分）（1）求腔長(zhǎng)L取值范圍；（2）選擇腔長(zhǎng)為120cm，求穩(wěn)定腔等價(jià)共焦腔焦距f ；（3）高斯光束束腰位置及束腰半徑°1）求腔長(zhǎng)L取值范圍；（2）選擇腔長(zhǎng)為120cm，求穩(wěn)定腔等價(jià)共焦腔焦距f ；（3）高斯光束束腰位置及束腰半徑解：（1）激光穩(wěn)定性條件(5分)0 (1 )(1 丄)1 得

10、 0 (1R1R2進(jìn)一步得0 L 40cm 或 100 L 140cm(2) fLRL)R L)(R1 R2L)(L R1) (L R2)代入后得f 19.59cm(5分)(3) Z1l(R2 L)(L R1) (L R2)24 cm19.59 10 2 500 10 90.177mm(5分)激光原理試題：一. 填空：（每孔1分，共17分）1. 通常三能級(jí)激光器的泵浦閾值比四能級(jí)激光器泵浦閾值高。2. Nd:YAG激光器可發(fā)射以下三條激光譜線 946 nm 、1319 nm 、1064 nm。其中哪兩條譜線屬于四能級(jí)結(jié)構(gòu)1319 nm 、 1064 nm 。3. 紅寶石激光器屬于幾能級(jí)激光器。

11、He-Ne激光器屬于匕能級(jí)激光器。4. 激光具有四大特性，即單色性好、亮度高、方向性好和相干性好5. 激光器的基本組成部分激活物質(zhì)、激光諧振腔、泵浦源。激光器穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，腔內(nèi)增益系數(shù)為 閾值 增益系數(shù)，此時(shí)腔內(nèi)損耗激光光子的速率和生成激光 的光子速率 相等.精品文檔交流6. 調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生激光脈沖主要有 鎖模、調(diào)Q兩種方法。二、解釋概念：1. 基模高斯光束光斑半徑：1激光光強(qiáng)下降為中心光強(qiáng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光斑半徑e22. 光束衍射倍率因子光束衍射倍率因子=實(shí)際光束束腰半徑實(shí)際光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角基膜高斯光束束腰半徑基膜高斯光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角3. 一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價(jià)關(guān)系：一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價(jià)性：

12、 任何一個(gè)共焦腔與無(wú)窮多個(gè)穩(wěn)定球面腔等價(jià)；任何一個(gè)穩(wěn)定球面腔唯一地等價(jià)于一個(gè)共焦腔。4. 基模高斯光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角；與束腰半徑的關(guān)系：答：氣體激光器中多普勒加寬燒孔效應(yīng)：由于腔鏡的作用，腔內(nèi)模 i頻率i可看成兩束沿相反方向傳輸?shù)男胁?、 1的迭加。如果1足夠強(qiáng)，則分速度為z （ z C 一0 ）的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)0都會(huì)出現(xiàn)飽和效應(yīng)，n 曲線在對(duì)稱于v o兩側(cè)的1和2 o 1處出現(xiàn)兩個(gè)燒孔。這是同一模式與 z運(yùn)動(dòng)粒子相互作用的結(jié)果，因此二個(gè)燒孔是關(guān)聯(lián)的，即同時(shí)出現(xiàn)三、問(wèn)答題：（共32分，每小題8分）1. 畫出四能級(jí)系統(tǒng)的能級(jí)簡(jiǎn)圖并寫出其速率方程組dtn 0W03出S32A31dn2dtn2f2n121

13、,f1dn°dt門1§0n0W03 A30n1n2 n3n。ndNif2 -dt0Ni121，01“2 A21S21口3$32NiNiRI2. 一兩塊球面鏡組成的直腔，腔長(zhǎng)為 達(dá)式。L,球面鏡的曲率半徑分別為R和R，寫出其往返矩陣的表2精品文檔交流答:往返矩陣為：12R1R22精品文檔交流3 什么是對(duì)成共焦腔，計(jì)算對(duì)成共焦腔g參數(shù).:答：對(duì)成共焦腔：Ri=R=L對(duì)成共焦腔g參數(shù).：gi1 呂 o 92 1 二 0 g9i920RiR24. 畫出聲光調(diào)Q激光器原理圖，說(shuō)明聲光調(diào) Q基本原理?答：電光晶體兩端加一定電壓，使沿 x方向的偏振光通過(guò)電光晶體后，沿軸兩方向偏振光的位相

14、差為，電光晶體相當(dāng)于1/4波片，光束兩次通過(guò)電光晶體時(shí)，偏振方向旋轉(zhuǎn)90 °，偏振方向與偏振片檢偏方向垂直，光束無(wú)法通過(guò)檢偏片，腔內(nèi)損耗高，激光無(wú)法振蕩；突然撤除電壓后，損耗迅速下降，上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)迅速轉(zhuǎn)化為激光脈沖輸出5. 說(shuō)明激光的基本特性？說(shuō)明描述激光的時(shí)間相干性的兩個(gè)物理量以及兩者之間相互關(guān)系？ （7分）答:激光具有單色性好、方向性好、良好的相干特性以及亮度高的特性。（3分）描述激光時(shí)間相干性的物理參量為相干時(shí)間t和相干長(zhǎng)度L,兩者之間的相互關(guān)系為L(zhǎng) c ，上式中c為光速。（4分）6. 光與物質(zhì)存在那三種相互作用？激光放大主要利用其中那種相互作用？說(shuō)明在激光產(chǎn)生過(guò)程中，最初

15、的激光信號(hào)來(lái)源是什么？ （10分）答：光與物質(zhì)間相互作用為：自發(fā)輻射、受激發(fā)射和受激吸收。（3分）激光放大主要利用其中的受激發(fā)射（3分）。激光產(chǎn)生過(guò)程中，最初的激光信號(hào)是激光介質(zhì)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的熒光。激 光介質(zhì)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的沿軸向傳播的熒光反復(fù)通過(guò)激光介質(zhì)，當(dāng)增益大于損耗時(shí)，這些熒光不斷被放大，最后形成了激光發(fā)射。（4分）7. 激光三個(gè)基本組成部分是什么？ （5分）答：激光基本結(jié)構(gòu)為：激光諧振腔、能量激勵(lì)源和激光工作物質(zhì)三部分。8. 說(shuō)明均勻增寬和非均勻增寬的區(qū)別？說(shuō)明為什么均勻增寬介質(zhì)內(nèi)存在模式競(jìng)爭(zhēng)？（10分）答：均勻增寬介質(zhì)內(nèi)每一個(gè)原子對(duì)譜線內(nèi)任一頻率光波都有相同的貢獻(xiàn)，所有原子對(duì)發(fā)射譜

16、線上每一頻率的光波都有相同貢獻(xiàn)，所有原子的作用相同；非均勻增寬介質(zhì)發(fā)射的不同的光譜頻率 對(duì)應(yīng)于不同的原子，不同的原子對(duì)中譜線中的不同頻率有貢獻(xiàn)， 不同原子的作用不同的（5分）。 均勻增寬激光介質(zhì)發(fā)射譜線為洛侖茲線型，中心頻率處譜線增益最大，該頻率處附近縱模優(yōu)先起振，由于均勻增寬介質(zhì)內(nèi)每一個(gè)原子對(duì)譜線內(nèi)任一頻率光波都有相同的貢獻(xiàn)，中心頻率處縱模振蕩發(fā)射激光將引起激光上能級(jí)原子數(shù)下降，激光增益曲線形狀不變，但整體下降，當(dāng)中心頻率處縱模增益降低為激光振蕩閾值時(shí)，該處縱模穩(wěn)定輸出，其它頻率的縱模增益都小于閾值， 無(wú)法振蕩。9. 說(shuō)明激光諧振腔損耗的主要來(lái)源？答：激光諧振腔損耗可以分為：1.內(nèi)部損耗：來(lái)

17、源為激光介質(zhì)不均勻所造成的散射以及激光介質(zhì) 本身的吸收損耗（2分）;2腔鏡損耗：來(lái)源為腔鏡投射損耗、腔鏡的衍射損耗以及腔鏡的吸 收損耗。10. 畫出激光四能級(jí)結(jié)構(gòu)圖？寫出四能級(jí)結(jié)構(gòu)的速率方程？說(shuō)明為什么三能級(jí)激光介質(zhì)泵浦功率閾 精品文檔交流值較咼？（ 11分）答：激光四能級(jí)結(jié)構(gòu)圖略：（3分）；四能級(jí)速率方程為:dm dt dn 2 dtRn2A?1(n2B21 nB2)f ( Vn AW 03 S 32n2 A21(n 2 B21n1B12)f( V由于三能級(jí)激光介質(zhì)下能級(jí)為基態(tài)，激光發(fā)射時(shí)，必須將超過(guò)總粒子數(shù)一半以上的原子激發(fā)到 激光上能級(jí)，因此三能級(jí)結(jié)構(gòu)的泵浦功率閾值較大。精品文檔交流精品

18、文檔交流激光四能級(jí)結(jié)構(gòu)圖11. 畫出聲光調(diào)Q激光器原理圖，說(shuō)明聲光調(diào) Q基本原理？ （ 10分）答：首先Q開關(guān)關(guān)閉，腔內(nèi)聲光晶體衍射產(chǎn)生的損耗高， 腔內(nèi)Q值低，激光振蕩閾值高，激光不振 蕩，上能級(jí)聚集大量反轉(zhuǎn)粒子：Q開關(guān)迅速開啟，腔內(nèi)損耗迅速下降，Q值急劇升高，閾值迅速 下降，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)遠(yuǎn)大于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，上能級(jí)聚集大量反轉(zhuǎn)粒子變?yōu)榉逯倒β屎芨叩募す?脈沖全反鏡聲光Q開關(guān)關(guān)閉時(shí)精品文檔交流精品文檔交流激光脈沖ATM輸出鏡激光介質(zhì)聲光器件全反鏡精品文檔交流精品文檔交流聲光Q開關(guān)關(guān)閉時(shí)精品文檔交流四. 計(jì)算題（36分）1 試計(jì)算連續(xù)功率均為1W的兩光源，分別發(fā)射=0.5000 m =3000MH

19、z的光，每秒從上能級(jí)躍遷到下能級(jí)的粒子數(shù)各為多少？（8分）答：粒子數(shù)分別為：mq h16.63 10 34-0.5 106.63 10 34 3 108182.5138 10n213496.63 103 10235.0277 10精品文檔交流2質(zhì)地均勻的材料對(duì)光的吸收為0.01mm-1光通過(guò)10cm長(zhǎng)的該材料后，出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的百分之幾？ （2）光束通過(guò)長(zhǎng)度為1m的均勻激活的工作物質(zhì)，如果出射光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的兩倍，試求該物質(zhì)的增益系數(shù)。（9分） 解（1）根據(jù)光在介質(zhì)內(nèi)傳播公式可得：I(z)l(0)e AzI(z)I(0)e 0.0110010.368e I(z)I (0)eGzI(z)I(

20、0)G 11e2 G In 20.693m3穩(wěn)定諧振腔的兩塊反射鏡，其曲率半徑分別為R1=40cm, R2= 100cm求腔長(zhǎng)L的取值范圍。（9 分）解:根據(jù)諧振腔穩(wěn)定性判斷條件可得：0 (1自(1自0 L 40cm或 100L 140cm100)精品文檔交流精品文檔交流4 紅寶石激光器是一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)，設(shè)Cr3 + 的 n0 = 1019/cm3,2仁3 10-3s，今以波長(zhǎng)入=0.5100 m的光泵激勵(lì)。試估算單位體積的閾值抽運(yùn)功率。（9分）解：激光器在閾值泵浦功率下泵浦時(shí)， 泵浦功率主要補(bǔ)償激光上能級(jí)的自發(fā)輻射損耗， 對(duì)于三能級(jí) 激光介質(zhì)，其上能級(jí)閾值粒子數(shù)近似等于激光總粒子數(shù) n 0的

21、一半，可得：h n0Vhcn06.63 10 34 3 1010 101921212 0.51 103 10 3650W/cm35.腔長(zhǎng)為0.5m的氬離子激光器，發(fā)射中心頻率0 = 5.85 1014Hz，熒光線寬=6 108 Hz，問(wèn)精品文檔交流精品文檔交流它可能存在幾個(gè)縱模？相應(yīng)的q值為多少？（設(shè)=1）（9分）6 1083 1082，則可能存在的縱模數(shù)有三個(gè)，它們對(duì)應(yīng)的q值分別為:qc2 L5.851014q81.952 Lc3108q106，q+ 1= 1950001，q 1 = 1949999解：縱模間隔為：q 3 103 108Hz，2 L 2 1 0.56試計(jì)算連續(xù)功率均為1W的兩

22、光源，分別發(fā)射=0.5000 m=3000MHz的光，每秒從上能級(jí)躍遷到下能級(jí)的粒子數(shù)各為多少？（8分）解：若輸出功率為P,單位時(shí)間內(nèi)從上能級(jí)向下能級(jí)躍遷的粒子數(shù)為n,貝U：c由此可得：P nhnh P Pnhhc其中h 6.626 10 34J s為普朗克常數(shù)，c 3 108m/s為真空中光速。所以，將已知數(shù)據(jù)代入可得：=500nm 時(shí)：n=2.5 1018s-1=3000MHz 時(shí)： n=5 1023s-1附加題：?jiǎn)柎痤}：（65分）1. 說(shuō)明連續(xù)輸出激光諧振腔的輸出耦合鏡透過(guò)率大于以及小于最佳輸出耦合率時(shí)，激光輸出功率都將下降？（ 10分）2. 寫出三種譜線展寬方式？說(shuō)明上述展寬中那些屬于

23、非均勻展寬、那些屬于均勻展寬？（5分）3. 寫出基模高斯光束光強(qiáng)表達(dá)式？寫出基模高斯光束光斑半徑與束腰半徑間關(guān)系表達(dá)式？寫出基模高斯光束波面曲率半徑與束腰半徑間關(guān)系表達(dá)式？ （5分）4. 激光諧振腔腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，腔鏡曲率半徑分別為Ri和Fb，寫出該諧振腔的穩(wěn)定條件？已知激光諧振腔 腔長(zhǎng)為1m,腔鏡曲率半徑分別為0.8m和1.2m,計(jì)算該諧振腔的g參數(shù)分別為多少？該諧振腔是否 穩(wěn)定（10分）5. 激光器由哪三部分組成？激光諧振腔振蕩的三個(gè)必要條件是什么？5分）6. 寫出均勻加寬激光介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度與入射光強(qiáng)間關(guān)系表達(dá)式？說(shuō)明為什么反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密 度隨腔內(nèi)激光光強(qiáng)增大而降低？ 10分）7. 畫出降壓

24、式電光調(diào) Q激光器原理圖，說(shuō)明電光調(diào) Q基本原理？ 10分）8. 光與物質(zhì)存在那三種相互作用？受激輻射放大發(fā)射光子有什么特點(diǎn)？說(shuō)明在激光諧振腔內(nèi)，激光振蕩產(chǎn)生過(guò)程中，最初的激光信號(hào)來(lái)源是什么？ （10分）9. 說(shuō)明激光器損耗的主要來(lái)源？設(shè)均勻增寬激光介質(zhì)長(zhǎng)度為10 cm，增益系數(shù)為G=0.02 cm-1，內(nèi)部損耗系數(shù)為 炳0.002cm1,求光強(qiáng)為300W/crK光斑面積為0.01cm2的激光束通過(guò)該激光介質(zhì)后 的激光強(qiáng)度和激光功率？ （ 10分）計(jì)算題：（35分）（4, 5題選作一題）1. He Ne激光器的中心頻率。=4.74 X1014Hz,熒光線寬=1.5I09Hz。今腔長(zhǎng)L= Im,

25、問(wèn)可能輸出的縱模數(shù)為若干？為獲得單縱模輸出，腔長(zhǎng)最長(zhǎng)為多少？ （8分）2. （1） 一質(zhì)地均勻的材料對(duì)光的吸收為 0.01mm、光通過(guò)10c m長(zhǎng)的該材料后，出射光強(qiáng)為入射光 強(qiáng)的百分之幾？ （2）光束通過(guò)長(zhǎng)度為1m的均勻激活的工作物質(zhì)，如果出射光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的兩 倍，試求該物質(zhì)的增益系數(shù)。（9分）3. 已知波長(zhǎng) =0.6328的兩高斯光束的束腰半徑 W10 , W20分別為0.2mm 50，試問(wèn)此二光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角分別為多少？后者是前者的幾倍？ （9分）穩(wěn)定諧振腔的兩塊反射鏡，其曲率半徑分別為Ri = 40cm艮=100cm求腔長(zhǎng)L的取值范圍。（9精品文檔交流分）激光原理及應(yīng)用期末試題（A卷

26、答案）一、簡(jiǎn)答題1. 激光器的基本結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分，簡(jiǎn)述這三個(gè)部分答：激光工作物質(zhì)、激勵(lì)能源（泵浦）和光學(xué)諧振腔；2. 物質(zhì)的粒子躍遷分輻射躍遷和非輻射躍遷，簡(jiǎn)述這兩種躍遷的區(qū)別。答：粒子能級(jí)之間的躍遷為輻射躍遷，輻射躍遷必須滿足躍遷定則；非輻射躍遷表示在不同的 能級(jí)之間躍遷時(shí)并不伴隨光子的發(fā)射或吸收，而是把多余的能量傳給了別的原子或吸收別的原 子傳給他的能量。3. 激光譜線加寬分為均勻加寬和非均勻加寬，簡(jiǎn)述這兩種加寬的產(chǎn)生機(jī)理、譜線的基本線型。答：如果引起加寬的物理因數(shù)對(duì)每一個(gè)原子都是等同的，則這種加寬稱為均勻加寬。自然加寬、碰撞加寬及晶格振動(dòng)加寬均屬均勻加寬類型。非均勻加寬是原子體系中每一

27、個(gè)原子只對(duì)譜線內(nèi)與它的表觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)。多普 勒加寬和固體晶格缺陷屬于非均勻加寬。4. 簡(jiǎn)述均勻加寬的模式競(jìng)爭(zhēng)答：在均勻加寬的激光器中，開始時(shí)幾個(gè)滿足閾值條件的縱模在振蕩過(guò)程中相互競(jìng)爭(zhēng)，結(jié)果總 是靠近中心頻率的一個(gè)縱模獲勝，形成穩(wěn)定的振蕩，其他的縱模都被抑制而熄滅。這種情況叫5. 工業(yè)上的激光器主要有哪些應(yīng)用？為什么要用激光器？答：焊接、切割、打孔、表面處理等等。工業(yè)上應(yīng)用激光器主要將激光做熱源，利用激光的方 向性好，能量集中的特點(diǎn)。6. 說(shuō)出三種氣體激光器的名稱，并指出每一種激光器發(fā)出典型光的波長(zhǎng)和顏色。答：He-Ne激光器，632.8nm （紅光），A葉激光器，514.5nm

28、（綠光），CO激光器，10.6卩m （紅 外）7. 全息照相是利用激光的什么特性的照相方法？全息照相與普通照相相比有什么特點(diǎn)？ 答：全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三維成像，記錄的是物體的相位。heKT 13 c、證明題：（每題6分，共18 分）1. 證明：由黑體輻射普朗克公式導(dǎo)出愛因斯坦基本關(guān)系式:三、計(jì)算題1 由兩個(gè)凹面鏡組成的球面腔，如圖。凹面鏡的曲率半徑分別為2m 3m腔長(zhǎng)為1m發(fā)光波長(zhǎng)600nm（1）求出等價(jià)共焦腔的焦距f;束腰大小W）及束腰位置；（2） 求出距左側(cè)凹面鏡向右3.333米處的束腰大小w及波面曲率半徑R;解：（0） 激光腔穩(wěn)定條件11(1 -)(1 ；)2 3

29、1此腔為穩(wěn)定腔f2LR1 LR2L R1r2 lLR1LR,2得,f =1.06066"1mZL R2L13 1LLR2121 3即束腰位置距R1左側(cè)0.667m處21.1251 21 312 13 12 3 10.667m9'1 600 103.14159260.4370 10 3 m距左側(cè)凹面鏡向右3.333米處，經(jīng)計(jì)算為距束腰4米處1.8 10 3mRz f -14-17m 4.25mfz1443. 氦氖激光器中NeT能級(jí)2S-2P4的譜線為1.1523卩m這條譜線的自發(fā)輻射幾率 A為6.54 X 106s-1 秒,放電管氣壓P" 260帕；碰撞系數(shù)a&quo

30、t; 700KHZ/W白；激光溫度T = 400K; M =112; 試求：(1) 均勻線寬Av H(2) 多普勒線寬Av d；分析在氣體激光器中,哪種線寬占優(yōu)勢(shì)1A6.54106_ - - - - 6N1.0408 10解：自然加寬:2s22Hz碰撞加寬：Lp 700 1032601.820108 Hz均勻加寬：HNL1.040810681.820 101.830108Hz(2)多普勒線寬:71T 273 1081400 28D7.16 1007.16 1063.5228110M1.152310112Hz(3) 根據(jù)上述結(jié)論，該激光器多普勒線寬占優(yōu)勢(shì)4. 紅寶石激光器中，Cr3+粒子數(shù)密度差

31、A n = 6X 1016/cm3,波長(zhǎng)入=694.3nm,自發(fā)輻射壽命t s= 3 X 10-3s,折射率n " 1.76。僅考慮自然加寬效果，上下能級(jí)簡(jiǎn)并度為1。試求(1)該激光器自發(fā)輻射系數(shù) 心1；線型峰值 0 ;(3)中心頻率處小信號(hào)增益系數(shù)g0 ;(4) 中心頻率處飽和增益系數(shù)g“ 1 1 1A213 s解：(1)s 3 1023%N 04S 1210N0u2A1663 108 2 103694.3 10 9 20 21 16 6gn 廠0610108 033 108 $ 1.761210 3（3）中心頻率處小信號(hào)增益系數(shù)精品文檔交流精品文檔交流中心頻率2.6155 109

32、處飽和增益系數(shù)g是小信號(hào)增益系數(shù)的一半為：1.3078 X 1095. 一束A葉高斯激光束，束腰半徑為0.41mm束腰位置恰好在凸透鏡前表面上， 激光輸出功率為 400w （指有效截面內(nèi)的功率），透鏡焦距為10mm計(jì)算A葉激光束經(jīng)透鏡聚焦后，焦點(diǎn)處光斑有效 截面內(nèi)的平均功率密度。（A葉激光波長(zhǎng)514.5nm）解：透鏡前的q1參數(shù)為q1 if2-301i -3.14159260.41 10 3 2i514.510 91.0264i iq2Aq1 BCq2應(yīng)用ABC定理求出1 i 013"10 100.0001i0.01精品文檔交流精品文檔交流束腰位置為q2的虛部，得求得220q20功率

33、密度為W220q20514.50.0001i3.1415926啤 1.63774003.1415926 0.01637710 227774.5592w/m精品文檔交流精品文檔交流一、問(wèn)答題（本題25分，每小題5分）1、簡(jiǎn)述激光的時(shí)間相干性。2、簡(jiǎn)述受激輻射與受激散射的異同。3、說(shuō)明橫模與縱模的特點(diǎn)。4、調(diào)Q的基本原理以及光纖激光器中常用的調(diào) Q方式有哪些？請(qǐng)說(shuō)明。5、簡(jiǎn)述激光調(diào)制以及常用的方法。二、計(jì)算題（本題30分，每小題10分）1、已知采用980nm的光源泵浦，Yb3+離子的發(fā)射截面 "=2X 1O-20cnf,上能級(jí)壽命為1ms有效截 面為15m2,估算YDFA勺泵浦強(qiáng)度閾值和

34、泵浦功率閾值。2、考慮He-Ne激光器，入=633nm多普勒展寬的增益線寬為 Av 0' =1.7 X 109Hz，假設(shè)腔長(zhǎng)50cm 求解封閉和開放式諧振腔的模式數(shù)目（封閉時(shí)假定諧振腔側(cè)面被一個(gè)直徑3mm的圓柱包圍） 3、計(jì)算腔鏡功率反射率分別為 R1=0.99，艮=0.5，單程損耗為10%勺諧振腔內(nèi)的Q因子和激光線寬、論述激光產(chǎn)生的條件(本題 15 分)四、推導(dǎo)四能級(jí)激光系統(tǒng)的速率方程(本題 15 分)五、現(xiàn)有一激光諧振腔，前后腔鏡的曲率半徑和反射率分別為ri、R、2、兩個(gè)腔鏡的中心間距為L(zhǎng),假定之間的介質(zhì)折射率為1,試推導(dǎo)激光器的穩(wěn)定條件(本題 15分)1. 激光的產(chǎn)生分為理論預(yù)言

35、和激光器的誕生兩個(gè)階段？簡(jiǎn)述激光理論的創(chuàng)始人，理論要點(diǎn)和提出理論的時(shí)間。 簡(jiǎn)述第一臺(tái)激光誕生的時(shí)間，發(fā)明人和第一臺(tái)激光器種類？答：激光理論預(yù)言是在1905年愛因斯坦提出的受激輻射理論。世界上第一臺(tái)激光器是于 1960年美國(guó)的梅曼研制成功的。第一臺(tái)激光器是紅寶石激光器。2. 激光譜線加寬分為均勻加寬和非均勻加寬，簡(jiǎn)述這兩種加寬的產(chǎn)生機(jī)理、譜線的基本線型。答：如果引起加寬的物理因數(shù)對(duì)每一個(gè)原子都是等同的，則這種加寬稱為均勻加寬。自然加寬、碰撞加寬及 晶格振動(dòng)加寬均屬均勻加寬類型。非均勻加寬是原子體系中每一個(gè)原子只對(duì)譜線內(nèi)與它的表觀中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)。多普勒加寬和固體晶格缺陷屬于非均勻加寬。3

36、. 舉例說(shuō)明，激光在醫(yī)學(xué)上有什么應(yīng)用？與普通醫(yī)學(xué)方法相比激光醫(yī)學(xué)有什么優(yōu)點(diǎn)？答：激光在醫(yī)學(xué)上許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如眼科、五官科、激光手術(shù)、激光理療、激光美容等等。與普 通醫(yī)學(xué)方法相比，激光診療具有精細(xì)準(zhǔn)確、安全可靠、療效好、痛苦少等優(yōu)點(diǎn)，依其診療特點(diǎn)可分為利用汽 化、切割、凝固、燒灼等方法的手術(shù)性治療。4. 軍事上的激光器主要應(yīng)用那種激光器？為什么應(yīng)用該種激光器？答：軍事上主要用的是 CO2激光器，這是因?yàn)?CO2激光波長(zhǎng)處于大氣窗口，吸收少，功率大，效率高等特 點(diǎn)。5. 全息照相是利用激光的什么特性的照相方法？全息照相與普通照相相比有什么特點(diǎn)？ 答：全息照相是利用激光的相干特性的。全息照

37、片是三維成像，記錄的是物體的相位。計(jì)算題2能級(jí)，激光在1 激光器為四能級(jí)系統(tǒng)，已知3能級(jí)是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，基態(tài)泵浦上來(lái)的粒子通過(guò)無(wú)輻射躍遷到能級(jí)和2能級(jí)之間躍遷的粒子產(chǎn)生。1能級(jí)與基態(tài)(0能級(jí))之間主要是無(wú)輻射躍遷。解:(1)在能級(jí)圖上劃出主要躍遷線。(2)若2能級(jí)能量為4eV，1能級(jí)能量為2eV，求激光頻率;(1)在圖中畫出(2)根據(jù)愛因斯坦方程hE2 E11.610 196.626 1034150.4829 10 Hz2 由凸面鏡和凹面鏡組成的球面腔，如圖。凸面鏡的曲率半徑為2m，凹面鏡的曲率半徑為 3m，腔長(zhǎng)為1.5m。發(fā)光波長(zhǎng)600nm。(1) 判斷此腔的穩(wěn)定性；(2) 求出等價(jià)共焦腔的焦

38、距f;束腰大小wo及束腰位置；(3) 求出距凸面鏡右側(cè) 5.125米處的束腰大小 w及波面曲率半徑 R;解：(1)激光腔穩(wěn)定條件(1精品文檔交流8此腔為穩(wěn)定腔。2 L R1L R2LR,R2RiLR21.52 1.53 1.52 3 1.520.984431.5 21.5得,f = 0. 9922胡mL R21.531.5L R L R,1.5 21.5 3 1.125m精品文檔交流精品文檔交流即束腰位置距R1右側(cè)1.125mWo存 f 廃需 04370 103m精品文檔交流精品文檔交流(3)距凸透鏡右側(cè)5.125米處，經(jīng)計(jì)算為距束腰4米處。w z w0.，10.437010 331.8 10

39、 m精品文檔交流精品文檔交流r zf彳 4117zf1 -mfz144R4.25m3 氦鎘激光器中441.6nm這條譜線的躍遷上能級(jí)3S2 壽命 n2.4X10-6 秒,下能級(jí) 2P4 壽命 TP.1X10-9精品文檔交流精品文檔交流秒(自發(fā)輻射壽命t是上下能級(jí)的平均值),放電管氣壓PP10帕；碰撞系數(shù)aP10KHz/帕；激光溫 度 T = 500K; M =112;試求:(1) 均勻線寬AV；(2) 多普勒線寬g分析在氣體激光器中，哪種線寬占優(yōu)勢(shì)解：自然加寬:12 1.2 10 651.326 10 Hz(2)(3)碰撞加寬：均勻加寬:多普勒線寬:7.16 10 7 08107.16103

40、2101.701 108Hz1.326 105 1.701 1081.702108 Hz10 73 108104416 10 105001121210.277108Hz根據(jù)上述結(jié)論，該激光器多普勒線寬占優(yōu)勢(shì)4 紅寶石激光器中，Cr3+粒子數(shù)密度no= 1017/cm3,波長(zhǎng)入=694.3nm.自發(fā)輻射壽命t= 3 xi0-3s,折射率耳須.76。又知巳、E1能級(jí)數(shù)密度之比為4,僅考慮自然加寬效果，上下能級(jí)簡(jiǎn)并度為1試求(1)該激光器自發(fā)輻射系數(shù)A21;(2)線型峰值 0中心頻率處小信號(hào)增益系數(shù)g0 ;精品文檔交流精品文檔交流中心頻率處飽和增益系數(shù)1_ 13 10 3S10 324 s 12N(

41、3) 中心頻率處小信號(hào)增益系數(shù)173n0 ri n210 cmE2和E1能級(jí)數(shù)密度之比為4比10U A21166g n 廠幽 06 10108°nni21016nn2m 610n28101631082 3103694.39 210 98 212 10 383 3101.76(4)中心頻率處飽2.6155 109和增益系數(shù)g是小信號(hào)增益系數(shù)的一半為：1.3078X1095. 一個(gè)CO2激光器輸出的激光束射到透鏡面上的光班半徑為0.4mm，輸出功率為200w (指有效截面內(nèi)的功率),透鏡焦距為10mm，計(jì)算CO2激光束經(jīng)透鏡聚焦后，焦點(diǎn)處光斑有效截面內(nèi)的平均功率密度。(CO2激光波長(zhǎng)10

42、.6 pm)精品文檔交流解：透鏡前的qi參數(shù)為qi應(yīng)用ABCD定理求出if2-301i -3.14159260.4 10 3 "i10.6 10 60.04742iq2,q2Aq BCq21 0.04742i00.002019i 0.009574213 0.04742110 103束腰位置為q2的虛部，得q200.002019i求得220q200.0068121 10 6W2"20200功率密度為一、填空題（20分，每空1、 愛因斯坦提出的輻射場(chǎng)與物質(zhì)原子相互作用主要有三個(gè)過(guò)程，分別是（自發(fā)輻射）、（受激吸收）、 （受激輻射）。2、 光腔的損耗主要有（幾何偏折損耗）、（衍射

43、損耗）、（腔鏡反射不完全引起的損耗）和材料中的 非激活吸收、散射、插入物損耗。3、 激光中諧振腔的作用是（模式選擇）和（提供軸向光波模的反饋）。4、激光腔的衍射作用是形成自再現(xiàn)模的重要原因，衍射損耗與菲涅耳數(shù)有關(guān)，菲涅耳數(shù)的近似表 達(dá)式為（錯(cuò)誤!未找到引用源。），其值越大，則衍射損耗（愈小）。5、光束衍射倍率因子文字表達(dá)式為（錯(cuò)誤!未找到引用源。）。6譜線加寬中的非均勻加寬包括（多普勒加寬），（晶格缺陷加寬）兩種加寬。7、 CO2激光器中，含有氮?dú)夂秃?，氮?dú)獾淖饔檬牵ㄌ岣呒す馍夏芗?jí)的激勵(lì)效率），氦氣的作用是 （有助于激光下能級(jí)的抽空）。8、有源腔中，由于增益介質(zhì)的色散，使縱橫頻率比無(wú)源腔頻率

44、縱模頻率更靠近中心頻率，這種現(xiàn) 象叫做（頻率牽引）。9、激光的線寬極限是由于（自發(fā)輻射）的存在而產(chǎn)生的，因而無(wú)法消除。10、 鎖模技術(shù)是為了得到更窄的脈沖，脈沖寬度可達(dá)（ 錯(cuò)誤!未找到引用源。）S,通常有（主動(dòng)鎖 模）、（被動(dòng)鎖模）兩種鎖模方式。3.1415926 0.006812110 69.345445 109w/m2分）二、簡(jiǎn)答題（四題共20分，每題5 分）1、什么是自再現(xiàn)？什么是自再現(xiàn)模？開腔鏡面上的經(jīng)一次往返能再現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布稱為開腔的自在現(xiàn)摸2、高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直，是實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用的技術(shù)手段, 畫出像方束腰半徑隨物距變化圖，并根據(jù)圖示簡(jiǎn)單說(shuō)明。在聚焦透鏡焦距F定的條件下,精品

45、文檔交流3、燒孔是激光原理中的一個(gè)重要概念，請(qǐng)說(shuō)明什么是空間燒孔？什么是反轉(zhuǎn)粒子束燒孔?4、固體激光器種類繁多，請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹 2種常見的激光器（激勵(lì)方式、工作物質(zhì)、能級(jí)特點(diǎn)、可輸 出光波波長(zhǎng)、實(shí)際輸出光波長(zhǎng)）。三、推導(dǎo)、證明題（四題共40分，每題10 分）1、短波長(zhǎng)（真空紫外、軟 X射線）譜線的主要加寬是自然加寬。試證明峰值吸收截面為 證明：根據(jù)P144頁(yè)吸收截面公式4414可知，在兩個(gè)能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重f仁f2的條件下,120兀。在自然加寬的情況下，中心頻率V 0處吸收截面可表示為:A21v220N上式12 s （P133頁(yè)公式 439 ）A21又因?yàn)閟，把A21和Av N的表達(dá)式代入1式，得到:212、請(qǐng)推導(dǎo)出連續(xù)三能