大学激光原理复习试题

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1、激光原理试题:一. 填空：（每孔1分，共17分）1. 通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈彳 。2. Nd:YAG激光器可发射以下三条激光谱线946nm、 1319nm、1064 nm。其中哪两条谱线属于四能级结构 1319 nm、1064nm。3. 红宝石激光器属于二几能级激光器。He-Ne激光器属于丄能级激光器。4. 激光具有四大特性，即单色性好、亮度高、方向性好和 相干性好5. 激光器的基本组成部分激活物质、激光谐振腔、泵浦源。6. 激光器稳态运转时，腔内增益系数为週值增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子 速率 相等.7调Q技术产生激光脉冲主要有 锁模、调Q两种

2、方法。二、解释概念：1. 基模高斯光束光斑半径:激光光强下降为中心光强点所对应的光斑半径.2. 光束衍射倍率因子光束衍射倍率因子=实际光束束腰半径x实际光束远场发散角光束衍射倍率因子-基膜高斯光束束腰半径x基膜高斯光束远场发散角3. 一般稳定球面腔与共焦腔的等价关系:一般稳定球面腔与共焦腔的等价性:任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价；任何一个稳定球面腔 唯一地等价于一个共焦腔。4. 基模高斯光束远场发散角；与束腰半径的关系:答：气体激光器中多普勒加宽烧孔效应：由于腔镜的作用，腔内模典频率V可看成两束沿相反方向传输的行波、 -的迭加。如果足够强，则分速度为u （U二-CT- 0 ）的反转粒子

3、数都会出现饱和效应，An）V曲线在1 1 z z V对称于vo两侧的V.和2V0 -V.处出现两个烧孔。这是同一模式与u运动粒子相互作用的结果，因此二个烧孔是关联的,即同时出现。 1 0 1三、问答题：（共32分，每小题8分）1. 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组（S+ A )0033 3231Z左、= nW03 - n dt筠dtdn = ns -nWn + nA dt 1 100 03 30n1 + n2 + n3 + n0 =肌 n - f n .2 f1 1 丿dN=dt& 21S 0 Ni -叫(A21 + S21)+ 吧?&21VV0)Nl NT Rl1L01 _|2.

4、一两块球面镜组成的直腔，腔长为L,球面镜的曲率半径分别为R和R2,写出其往返矩阵的表达式。 答:往返矩阵为：1021R13什么是对成共焦腔，计算对成共焦腔g参数.： 答:对成共焦腔:R=R2=L对成共焦腔g参数.：LLg = 1 - R = 0g 2 = 1 - R = 0 g = g1 g 2 = 04.画出声光调Q激光器原理图，说明声光调Q基本原理?答：电光晶体两端加一定电压，使沿x方向的偏振光通过电光晶体后，沿轴两方向偏振光的位相差为， 电光晶体相当于1/4波片，光束两次通过电光晶体时，偏振方向旋转90，偏振方向与偏振片检偏 方向垂直，光束无法通过检偏片，腔内损耗高，激光无法振荡;突然撤

5、除电压后，损耗迅速下降，上 能级反转粒子数迅速转化为激光脉冲输出5说明激光的基本特性？说明描述激光的时间相干性的两个物理量以及两者之间相互关系？ （7分） 答：激光具有单色性好、方向性好、良好的相干特性以及亮度高的特性。（3分）描述激光时间相干性的物理参量为相干时间t和相干长度L,两者之间的相互关系为L二c-t，上式 中c为光速。（4分）6光与物质存在那三种相互作用？激光放大主要利用其中那种相互作用？说明在激光产生过程中，最初 的激光信号来源是什么？ （10分）答：光与物质间相互作用为：自发辐射、受激发射和受激吸收。（3分）激光放大主要利用其中的受激发 射（3分）。激光产生过程中，最初的激光信

6、号是激光介质自发辐射所产生的荧光。激光介质自发辐 射所产生的沿轴向传播的荧光反复通过激光介质，当增益大于损耗时，这些荧光不断被放大，最后 形成了激光发射。（4分）7激光三个基本组成部分是什么？（5分）答：激光基本结构为：激光谐振腔、能量激励源和激光工作物质三部分。8.说明均匀增宽和非均匀增宽的区别？说明为什么均匀增宽介质内存在模式竞争？ （10分） 答：均匀增宽介质内每一个原子对谱线内任一频率光波都有相同的贡献，所有原子对发射谱线上每一频 率的光波都有相同贡献，所有原子的作用相同；非均匀增宽介质发射的不同的光谱频率对应于不同 的原子，不同的原子对中谱线中的不同频率有贡献，不同原子的作用不同的（

7、5分）。均匀增宽激光 介质发射谱线为洛仑兹线型，中心频率处谱线增益最大，该频率处附近纵模优先起振，由于均匀增 宽介质内每一个原子对谱线内任一频率光波都有相同的贡献，中心频率处纵模振荡发射激光将引起 激光上能级原子数下降，激光增益曲线形状不变，但整体下降，当中心频率处纵模增益降低为激光 振荡阈值时，该处纵模稳定输出，其它频率的纵模增益都小于阈值，无法振荡。9说明激光谐振腔损耗的主要来源？答：激光谐振腔损耗可以分为：1.内部损耗：来源为激光介质不均匀所造成的散射以及激光介质本身的 吸收损耗（2分）；2.腔镜损耗：来源为腔镜投射损耗、腔镜的衍射损耗以及腔镜的吸收损耗。10画出激光四能级结构图？写出四

8、能级结构的速率方程？说明为什么三能级激光介质泵浦功率阈值较高？ （11分） 答：激光四能级结构图略：（3分）；四能级速率方程为：dn1 = R + nA + （n B 一 n B ） p f （v） 一 nAdt 12 212 211 121 1dn二 W S 一 nA （n B - n B ） p f （v）dt0332221221112由于三能级激光介质下能级为基态，激光发射时，必须将超过总粒子数一半以上的原子激发到激光上能级，因此三 能级结构的泵浦功率阈值较大。2111.画出声光调Q激光器原理图，说明声光调Q基本原理？ （10分）答：首先Q开关关闭，腔内声光晶体衍射产生的损耗高，腔内Q值

9、低，激光振荡阈值高，激光不振荡，上能级聚集大量 反转粒子：Q开关迅速开启，腔内损耗迅速下降，Q值急剧升高，阈值迅速下降，反转粒子数远大于阈值反转粒子数， 上能级聚集大量反转粒子变为峰值功率很高的激光脉冲全反镜激光介质输出镜声光器件-声 光Q开关声光Q开关关闭时输出镜激光介质声光器件全反镜激光脉冲答：粒子数分别为：0.5 x 10 -6hvc6.63 x 10-34 岂6.63x10-34 x3x108=2.5138 x 1018声光Q开关关闭时四 计算题（36 分）1.试计算连续功率均为1W的两光源，分别发射九=0. 5000pm, v =3000MHz的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒 子数

10、各为多少？（8 分）qhv光6.63 x 10-34 x 3 x 109 = 5277 X10232. 一质地均匀的材料对光的吸收为0.01mm-1、光通过10cm长的该材料后，出射光强为入射光强的百分之几? （2） 束通过长度为1m的均匀激活的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。（9分）1( z)1(0)e - Az=I)e 100e0.368 1 (z) - 1(曲=盎-和-2 = G - ln2 - 0.693m-13.稳定谐振腔的两块反射镜，其曲率半径分别为R1=40cm, R2 = 100cm,求腔长L的取值范围。（9分） 解:根据谐振腔稳定性判断条件可得:

11、0 (1 - )(1 - ) 1 n 0 (1 -L)(1) 1 nR R40100120 L 40cm或 100 L 140cm4.红宝石激光器是一个三能级系统，设Cr3 +的n0=1019/cm3, i21=3x10-3s，今以波长治0.5100pm的光泵激励。试 估算单位体积的阈值抽运功率。（9 分）解:激光器在阈值泵浦功率下泵浦时，泵浦功率主要补偿激光上能级的自发辐射损耗，对于三能级激光介质，其上能级 阈值粒子数近似等于激光总粒子数n的一半，可得：hvn Vhcn6.63x10-34 x 3 x 1010 x10190 4 650W / cm 32t2肮2 x 0.51 x 10-4

12、x 3 x 10-321 21lz. W.曰P阈35.腔长为0.5m的氩离子激光器，发射中心频率V 0 = 5.85xl014Hz，荧光线宽Av= 6xl08 Hz，问它可能存在几个纵模?相应的q值为多少？（设卩=1） （9分）解：纵模间隔为:A -3 x 108 3 x 108 Hz , q2pL 2x1x 0.5Av6 x108n 2，Av3 x108q则可能存在的纵模数有三个，它们对应的 q 值分别为：V-竺 n q -竺 xv2pLc5竽 I；014 1.95 x 106 , q+1=1950001, q-1 = 1949999 3x1086.试计算连续功率均为1W的两光源，分别发射九

13、=0. 5000pm, v =3000MHz的光，每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？ （8分）解：若输出功率为P,单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n则:cP = nhv nh 九由此可得：P P九n -hv hc其中h = 6.626xlO-3订-s为普朗克常数，c = 3x10sm/s为真空中光速。所以,将已知数据代入可得：九=500nm 时:n=2.5x1018s-1v =3000MHz 时:n=5x1023s-1附加题:问答题：（65分）1说明连续输出激光谐振腔的输出耦合镜透过率大于以及小于最佳输出耦合率时，激光输出功率都将下降？ （10分）2写出三种谱线展宽方式？说明上

14、述展宽中那些属于非均匀展宽、那些属于均匀展宽？ （5分）3. 写出基模高斯光束光强表达式？写出基模高斯光束光斑半径与束腰半径间关系表达式？写出基模高斯光束波面曲率半 径与束腰半径间关系表达式？（5 分）4激光谐振腔腔长为L,腔镜曲率半径分别为R1和R2,写出该谐振腔的稳定条件？已知激光谐振腔腔长为1m,腔镜曲 率半径分别为0.8m和1.2m,计算该谐振腔的g参数分别为多少？该谐振腔是否稳定（10分）5激光器由哪三部分组成？激光谐振腔振荡的三个必要条件是什么？ 5分）6写出均匀加宽激光介质的反转粒子数密度与入射光强间关系表达式？说明为什么反转粒子数密度随腔内激光光强增大 而降低？ 10 分）7.画出降压式电光调Q激光器原理图，说明电光调Q基本原理？ 10分）8光与物质存在那三种相互作用？受激辐射放大发射光子有什么特点？说明在激光谐振腔内，激光振荡产生过程中，最 初的激光信号来源是什么？（10 分）9.说明激光器损耗的主要来源？设均匀增宽激光介质长度为10 cm,增益系数为G=0.02 cm-1，内部损耗系数为a内二0.002cm-求光强为30