09-10激光原理试题b答案

2009 2010 学年第 2 学期 课程名称：激光原理与激光技术 使用班级： 电科、光信息、物理 07 级 命题系别：_光电技术学院_ 命题人：_钟先琼_ 一、判断题（每小题 1 分，共 5 分） 1、 2、 3、 4、 5、 二、名词解释（每小题 3 分，共 12 分） 1测不准关系表明：微观粒子的坐标和动量不能同时确定，在三维运动情况下，测不 准关系为 ，故在六维相空间中，一个光子态占有的相空间体积3hPzyxzyx 为 ，上述相空间体积元称为相格。 z 2光束衍射倍率因子 作为衡量激光束空域质量的参量，定义为实际光束腰斑半径2M 与远场发射角乘积和基模高斯光束腰斑半径与远场发射角乘积的比值。 越小，则光2M 束质量越好。 3设发光原子静止时的中心频率为 ，当原子相对于接收器以速度 运动时，接收器0z 测得的光波频率不再是 ，而与其运动速度有关，即 ，这种现象称为0 01/zc 光学多普勒效应。 4当纵模在谐振腔内形成稳定振荡时，腔内将形成驻波场，波腹处光强最大，增益系 数（反转集居数密度）最小；波节处光强最小，增益系数最大。此现象称为轴向空间烧 孔效应。 三、填空题（每空 1 分，共 33 分） 1几何偏折损耗；衍射损耗；腔镜反射不完全损耗；材料及腔内插入器件损耗。 2稳定腔；非稳腔；临界腔；临界腔；非稳腔；稳定腔或非稳腔。 3均匀加宽；非均匀加宽；综合加宽；均匀加宽；洛仑兹；非均匀加宽；高斯。 4高；小。 5增大输出功率；减小损耗；增加腔长。 6转镜调 ；电光调 ；声光调 ；饱和吸收调 。QQ 7小孔光阑选模；谐振腔参数选模；非稳腔选模；微调谐振腔选模。 8增益曲线均匀饱和引起的自选模；轴向空间烧孔效应引起的纵模空间竞争 9锁模 四、简答与推证题（共 20 分） 1、波在腔镜上反射时，反射波和入射波将发生干涉，多次往返就会发生多光束干涉， 为在腔内形成稳定振荡，需干涉加强，即：波从某点出发，经腔内往返一周回到原位置 时，应与初始波同相，即相差为 2 的整数倍： （1 分） （1） （1 分）0qL 其中， 为真空中的波长， 为腔的光学长度。 为整数。将满足（1）式的波长用0 表示，则有： （2） （1q0 20qL 分） （1）和（2）即为谐振条件。 又因为： （1 分） ，代入（2）式得： （3） （1 分）qc02Lcq 当腔内充满折射率为 的均匀物质时，有： （4） （1 分） L 为腔长，代（4）入（3）得： （5） （1 分）Lcq2 则（3）和（5）式即为谐振频率。相邻两纵模的频率之差即纵模间距为： （6） （1 分） cLqq21 2、非稳腔基模的近似描写是存在唯一的一对轴上共轭像点及相应的一对几何自再现波 试 题 答 案 - 3 - 型（2 分） 。相比而言，非稳腔能获得较大的模体积和较好的横模鉴别能力，可实现高功 率单模运转，从而既能从激活物质中高效率地提取能量，又能保持高的光束质量（3 分） 。 即能够保证高功率高能量与高光束质量二者兼得，因而更适用于高功率激光器件。 （1 分） 3、 示意图如下： （4 分） 如图， W03 为抽运几率，若为光泵浦，则为光受激吸收跃迁几率， W12 为受激吸收跃 迁几率，W 21 为受激辐射跃迁几率，A 21、A 30 为自发辐射跃迁几率，S 10、S 21、S 30、S 32 为无辐射跃迁几率。 （3 分） 五、计算题 （共 30 分） 1、 （本题满分 10 分）解： 热平衡状态下的玻尔兹曼分布为： (2 分) TkhTkEbbefefn21212 由已知条件： ； ； ； ； 21f21hv0K0MHzv2311.80JKbK 。得出：346.210Jsh (2 分)95.418.1en 由已知条件： (2 分)Tkhcbenc12 代入 得：830ms6030K (1 分)214125.en 由已知条件 (2 分)222 1lnlnb hvKTbbhvckk 代入 得： (1 分)1.02n60m65KT 2、 （本题满分 10 分）解： 对于 低气压放电灯，忽略自然加宽和碰撞线宽，则谱线线宽主要为多普勒线宽。 86Kr (1 分) 多普勒线宽满足： (2 分)MTD007215163. 光源相干长度满足： (2 分)DcLv 由已知条件 得7KT86M905.71m (2 分)0.94mCL 对于氦氖激光器，已知 819. 试 题 答 案 - 5 - 光源相干长度满足： (2 分) 263.8mCCcLLv 可见氦氖激光器光源的相干长度比 低气压放电灯大得多，单色性也要好的多。 (18Kr 分) 3、 （本题满分 10 分）证明: 在激光脉冲放大器中，单位面积上流过的总光子数 J(z)满足下列输运方程： ，其中， 、 、 分别是初始反转集居数zJnedzJzJ021)( 0n21 密度、工作物质损耗系数和工作物质中心频率处的发射截面。 （1 分） （1）在无损脉冲放大器中, =0, 则有： （1） (1021nedzJzJ 分) (1)若入射光脉冲极其微弱，即有： 21zJ 则： (1 分)zJzezJ 212212 !1 （1）式变为： ， 即： (1 分)021nJdzdnzJd021 两边积分得： （1 分）llJ0210 即： ， (1 分)lnJl021nlnJlGE021e