2011激光原理复习题重点难点

激光原理复习 第一部分 知识点 第一章 激光的基本原理 1、 自发辐射 受激辐射 受激吸收的概念及相互关系 2、 激光器的主要组成部分有哪些？各个部分的基本作用。激光器有哪些类型？ 如何对激光器进行分类。 3、什么是光波模式和光子状态？光波模式、光子状态和光子的相格空间是同一 概念吗？何谓光子的简并度？ 4、如何理解光的相干性？何谓相干时间，相干长度？如何理解激光的空间相干 性与方向性，如何理解激光的时间相干性？如何理解激光的相干光强？ 5、 EINSTEIN 系数和 EINSTEIN 关系的物理意义是什么？如何推导出 EINSTEIN 关系？ 4、产生激光的必要条件是什么？热平衡时粒子数的分布规律是什么？ 5、什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？ 6、如何定义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？ 7、什么是自激振荡？产生激光振荡的基本条件是什么？ 8、如何理解激光横模、纵模？ 第二章 开放式光腔与高斯光束 1、描述激光谐振腔和激光镜片的类型？什么是谐振腔的谐振条件？ 2、如何计算纵模的频率、纵模间隔？ 3、如何理解无源谐振腔的损耗和 Q 值？在激光谐振腔中有哪些损耗因素？什么 是腔的菲涅耳数，它与腔的损耗有什么关系？ 4、写出（1）光束在自由空间的传播；（2）薄透镜变换；（3）凹面镜反射 5、什么是激光谐振腔的稳定性条件？ 6、什么是自再现模，自再现模是如何形成的？ 7、画出圆形镜谐振腔和方形镜谐振腔前几个模式的光场分布图，并说明意义 8、基模高斯光束的主要参量：束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，镜面上光斑 的大小？任意位置激光光斑的大小？等相位面曲率半径，光束的远场发散角， 模体积 9、如何理解一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？如何计算一般稳定球面腔中高 斯光束的特征 10、高斯光束的特征参数？q 参数的定义？ 11、如何用 ABCD 方法来变换高斯光束？ 12、非稳定腔与稳定腔的区别是什么？判断哪些是非稳定腔。 第三章 电磁场与物质的共振相互作用 1、什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们的特点是什么？如何定义线宽和 线型函数？什么是均匀加宽和非均匀加宽？它们各自的线型函数是什么？ 2、自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关？ 3、光学跃迁的速率方程，并考虑连续谱和单色谱光场与物质的作用和工作物质 的线型函数。 4、画出激光三能级和四能级系统图，描述相关能级粒子的激发和去激发过程。 建立相应能级系统的速率方程。 5、说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理。 6、描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应” ，并说明它们的原理。 第五章 激光振荡特性 1、 连续和脉冲激光器工作的阈值条件，输出功率或能量，输出光波的波形 （讨论驰豫脉冲形成的过程） ，分析激光器内的模式竞争过程。 2、 解释模式竞争效应和横模及纵模的空间烧孔效应。 3、 说明兰姆凹陷的形成过程。 4、 激光谱线的线宽极限 5、 激光器的频率牵引效应 第六章 激光放大特性 1、 常见激光放大器的种类及工作特点 2、 放大的自发辐射 第七章 激光特性的控制与改善 1、 为什么对激光的特性进行控制和改善，常见的有那些方法？ 2、 如何选择横模或纵模，分别有哪些方法 3、 说明稳频的原理及常见的稳频方法 4、 分析调 Q 的原理、方法及目的 5、 注入锁定的目的如何，怎样实现的 6、 锁模的目的和方法 第九章：常见激光器及其特点 He-Ne、Nd-YAG、红宝石、钛宝石、N2 激光器等的发光物质，出光波长及激 励方法和特点。 第二部分 复习题 1、TEM 00模式的激光光束垂直入射到完全吸收的介质平面。平面中央处有半径 为 a 的小孔，求该平面对入射的 TEM00模的透过率，并计算出当小孔半径正 好等于该处基模光斑半径时的透射率值。 （基模高斯光束基模光斑的光强分 布函数 ） ，选基横模的条件（光阑的大小和位置） 2()002(,)rzIrzIe 2、共焦腔氦氖激光器的输出波长为 0.6328m，L30cm 求：基横模的远场发散 角。5m 处的光斑直径。 （10 分） 3、 有一平凹氦氖激光器，腔长 0.5m，凹镜曲率半径为 2m，现用小孔光阑选出 TEM00模，试求光阑放于紧靠平面镜和紧靠凹而镜处两种情况下小孔直径各为多 少?(对于氦氖激光器，当小孔光阑的直径约等于基模半径的 33 倍时，可选出 基横模。) 4、 氩离子激光器的中心波长是 0.5145m，谱线宽度是 =610 8Hz,若谐振腔 的长度为 0.5 米，求可能输出的纵模数及相应的频率值。 （激光器的输出横模与 纵模数目） 5、 今有一球面腔，R11.5 米，R2-1 米，L80 厘米试证明该腔为稳定腔； 求出它的等价共焦腔的参数，在图上画出等价共焦腔的具体位置。 6、 作一个腔长为 50cm 的对称稳定腔，试确定反射镜曲率半径的取值范围。 7、 试求平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。 8、 已知二氧化碳激光谐振腔由曲个凹面镜构成，R1l m，R22m，L0. 5m 如 何选择高斯束腰斑的大小和位置才能使它成为该谐振腔中的自再现光束? 9、激光工作物质是钕玻璃，其荧光线览 F24.0nm，折射率150，能用短腔 选单纵模吗? 10 红宝石激光器中，Cr3+粒子数密度差 n = 61016/cm3, 波长 =694.3nm, 自发辐射寿 命 s = 310-3s, 折射率 1.76。仅考虑自然加宽效果,上下能级简并度为 1。 试求(1) 该激光器自发辐射系数 A21; (2) 线型峰值 ;0g (3) 中心频率处小信号增益系数 g0 ; (4) 中心频率处饱和增益系数 g 11 一束 Ar+高斯激光束，束腰半径为 0.41mm，束腰位置恰好在凸透镜前表面上，激光输 出功率为 400w (指有效截面内的功率 )，透镜焦距为 10mm，计算 Ar+激光束经透镜聚 焦后，焦点处光斑有效截面内的平均功率密度。(Ar+激光波长 514.5nm) 2、光子具有 自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从 统计分布。 12、设掺 Er 磷酸盐玻璃中， Er 离子在激光上能级上的寿命为 10ms，则其谱线 宽度为 。 13、在某个实验中，光功率计测得光信号的功率为-30dBm ，等于 W。 （A）110 -6 (B) 110-3 (C) 30 (D) -30 14、激光器一般工作在 状态. (A) 阈值附近 (B) 小信号 (C) 大信号 (D) 任何状态 15、一束光通过长度为 1m 的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强 的两倍，则该物质的增益系数为 。 16如选取透镜的两个焦平面作为入射面和出射面，透镜焦距为 f，该光学系统 的传输矩阵为 。 （A） （B） （C） （D ） 10f 01f 01f 10 17如某光学系统的两个参考平面为一对物-像共轭平面，则该光学系统的 ABCD 变换矩阵四个元素中，必有 。 （A） A=0 （B） B=0 （C） C=0 （D ） D=0 18共焦腔在稳区图上的坐标为 。 (A) (-1,-1) (B) (0,0) (C) (1,1) (D) (0,1) 19腔的品质因数 Q 值衡量腔的 。 （A）质量优劣 （B）稳定性 （C）存储信号的能力 （D）抗干 扰性 20今有一球面腔 R1=2m, R2= -1m, L=0.8m. 该腔为 。 （A）稳定腔 （B ）非稳定腔 （C）临界腔 （D）不能 确定 21、设某固体激光器谐振腔长 50cm，固体激光介质棒长 30cm，其折射率为 1.6，其本征纵模的频率间隔为 。 22、设某激光器谐振腔长 50cm，反射镜面半径为 2cm，光波波长为 400nm，则 此腔的菲涅耳数为 。 23、设激光器谐振腔两反射镜的反射率为 R1=R2=R=0.98，腔长 L=90cm，不计 其它损耗，则腔内光子的平均寿命为 。设 v=51014Hz（即 630nm） ， 则激光腔的 Q 值为 。 24假设激光腔内存在电磁场模式的电场为： ，tjruEtrc2exp)(),(0 式中 tc为腔内光子寿命。试求：1）电场的傅立叶变换；2）发射光的功率谱； 3）谱线宽度。 25某高斯光束入射到焦距为 f 的薄透镜， 该薄透镜位于入射高斯光束的光腰 处，如图所示。求输出光束光腰位置及其光斑的大小。 26、YAG 激光器是典型的 系统。 （A）二能级 (B) 三能级 (C) 四能级 (D) 多能级 27、自然加宽谱线为 。 （A）高斯线型 (B) 抛物线型 (C) 洛仑兹线型 (D) 双曲线型 28、某谱线的均匀加宽为 10MHz，中心频率所对应的谱线函数的极大值为 。 （A）0.1s (B) 10-7Hz (C) 0.1s (D) 107Hz 29、聚光腔的作用是 。 30、某洛仑兹线型函数为 （s） ，求该线型函数的线宽 及常12209)(vag v 数 a。 31、多普勒加宽发生在 介质中。 （A）固体 (B) 液体 (C) 气体 (D) 等离子体 32、多普勒加宽谱线中心的光谱线取值为 。 （A） (B) (C) (D) Dvg93.0max Dvg637.0max Dvg5.0max 1maxg 33、共焦腔基模光腰为 。 （A） (B) (C) (D) 20RR20 R200 34、某脉冲激光介质中发光粒子的浓度为 n=51012cm-3，介质棒长度为 L=20cm，横截面 面积为 A=2mm2，输出光频率为 v=4100THz，假设可将所有发光粒子全部激发到激光上 能级，求在一次脉冲过程中输出的能量。如脉冲宽度为 =5s，求平均输出功率 4、阈值 条件是形成激光的 。 (A) 充分条件 (B) 必要条件 (C) 充分必要条件 (D) 不确定 35、在粒子数反转分布状态下，微观粒子满足 。 (A) 费米分布 (B) 高斯分布 (C) 波尔兹曼分布 (D) 负温度分 布 36、对同一种介质，小信号增益系数随 而变。 (A) 谱线宽度 (B) 激发功率 (C) 粒子数密度 (D) 自发辐射 几率 37、在连续工作状态下，激光腔内光子数密度 N 随时间的变化可表示为 。 38、小信号情况下， 反转粒子数 及增益系数与 无关，与泵浦几率成正比。增n 益系数与入射光的频率有关。 39、长度为 10cm 的红宝石棒置于长度为 20cm 的光谐振腔中，红宝石 694.3nm 谱线的自发 辐射寿命 ，均匀加宽线宽为 。光腔单程损耗 。求3410ss5210MHz0.2 (1) 阈值反转粒子数 ；tn (2) 当光泵激励产生反转粒子数 时，有多少个纵模可以振荡？(红宝石折射率.tn 为 1.76) 40、设某激光的小信号峰值增益系数为 ，阈值增益系数为 。令激发参量maxGtG ，试证明：对于非均匀加宽工作物质来说，其振荡线宽与荧光线宽之间的关系tGmax 为 。Doscvv2ln 41、试画图说明模式竞争过程 42、什么叫模式的空间竞争？为了在均匀激光器中实现单模运转，可以采用什么措施？ 43、连续激光器稳定工作时的增益系数是否会随泵浦功率的提高而增加？为什么？ 44、三能级系统激光器，至少要把总粒子数的 抽运到激光上能级，才能实现激光振荡。 A 1/2 B 1/3 C 1/4 D 1/10 45、以三能级系统为例，说明总量子效率的物理意义。如何提高总量子效率？ 46、为什么调 Q 时增大激光器的损耗的同时能造成上能级粒子数的积累？ 47、实现调 Q 对激光器的基本要求是什么？ 48、普通脉冲激光器的峰值功率不高的主要原因是什么？ 49、简述调 Q 技术的基本思想 50、红宝石调 Q 激光器输出镜反射率为 r1=0.96,另一镜反射率在 r2=0.1 到 r2=1 之间变化, 红宝石棒与腔长同为 L=20 cm,截面积 S=10mm2,红宝石发射截面 21=2.510-24m2,设 Q 开关 在反转粒子数达到 r2 低反射率所对应的阈值时开启 , 求 m 及 Pm(光波长 = 694.3nm,折射 率 n=1.76)。 51、试画出带偏振器的 KDP 电光调 Q 激光器结构示意图，并简述其工作原理。 52、谐振腔对不同阶数的横模有不同 损耗，这一性能是实现横模选择的基础。 53、激光器的振荡频率范围是由工作物质的 决定。 54、为了有效的选择横模，衍射损耗在模的总损耗