激光原理与技术期末考试卷(2007-09).doc

1基本概念题(选做5小题，每小题5分)251.1 激光器一般包括哪三个基本单元？各单元的主要作用是什么？1.2 试辨析激光振荡器、激光放大器和激光器的区别1.3 激光器的主要泵浦方式有哪些？各举一典型激光器实例。1.4 激光具有哪些基本特性？试举3个应用实例，并说明各自应用了激光的哪方面特性。1.5 何谓烧孔效应？何谓兰姆凹陷？1.6 何谓有源腔和无源腔？如何理解激光线宽极限和频率牵引效应？1.7 在粒子反转数密度n大于0时，在激光腔中一定能产生自激振荡吗?为什么？2. 综合思考题(选做2小题，每小题15分)302.1何谓介质的吸收截面？现有红宝石样品一块，试设计一实验方案测量该样品的吸收截面，列出实验所需的设备和元器件。2.2 选模复合腔如图所示，M1、M2、M3为全反镜，M4为部分反射镜。(1)试分析其选模原理和条件；(2)如腔内增益介质振荡线宽为osc, 为了获得单纵模输出，l1、l2应如何选择？2.3 (1) 三能级系统和四能级系统的主要区别是什么？简要说明它们在实现粒子数反转过程中的特点；(2)试列出二能级系统的速率方程组（设能级简并度f1=f2）。(3)分析二能级系统能否实现粒子数反转。3. 计算题(选做3小题，每小题15分)453.1 What would be the output intensity of a helium-neon laser operating at 632.8 nm if ithas a small-signal gain of 0.15/m? The laser has two mirrors of reflectivity 99.99%and 98%, a gain-medium length of 0.2 m, and essentially no scattering losses.3.2 A Nd:YVO4 laser operating in a pulsed mode at 1.06 m is placed in a cavity withmirrors of 95% at each end of the laser. The scattering losses are determined to be0.4% per pass. If the laser produces output pulses of 200-s duration in a beam ofdiameter 6 mm and if the small-signal gain is measured to be 20% per pass, whatwould be the energy of the pulses emerging from the laser?3.3 Nd3+ ions are doped into YAG at a 1% atomic concentration, which corresponds to adensity of Nd atoms of 1.381026 per cubic meter in the laser rod. If all of theseatoms were instantly pumped to the upper laser level and then began to radiate, whatwould be the radiated energy per cubic meter and the average power per cubic meterradiated from this material at the emission wavelength of 1.06 m? if the powerradiated from one cubic centimeter could be concentrated into a spot 1 mm indiameter, what would be the intensity(power/m)3.4 长度为10 cm的红宝石棒置于长度为22 cm的光谐振腔中，红宝石694.3 nm谱线的自发辐射寿命 s4ms,均匀加宽线宽为2105 MHz,，光腔单程损耗=0.2。求：(1) 阈值反转粒子数密度nt；(2) 当光泵激励产生反转粒子数密度n = 1.25nt 时，有多少个纵模可以振荡(红宝石折射率为1.76); (3) 假设红宝石棒的横截面为1cm2, 其中Cr3+ 离子浓度为21019 cm-3，采用调Q技术获得T = 10 ns 的巨脉冲输出，试估算理想情况下可获得的激光脉冲能量和峰值功率。3.5 一内腔式He-Ne 激光器腔长L = 500 mm，F = 1500 MHz，在一定的泵浦功率下，测得最大增益系数gmax = 210-4 mm-1，忽略腔内其它损耗。试问(1)要产生激光振荡，输出端的透过率不得超过多少? (2) 若输出端的透过率T =0.1时，腔内有可能形成多少个纵模振荡?4. 创意题：试以任何表现形式（注意别违反考场纪律）最有效、最大限度地展示你对这门课理解的程度（深度、广度）（选做题）附加分1基本概念题(选做5小题，每小题5分)251. 1激光具有哪些基本特性？试举3个应用实例，并说明各自应用了激光的哪方面特性。1. 2三能级系统和四能级系统的主要区别是什么？就两系统各举一典型实例.1. 3何谓调Q技术？调Q技术有哪些主要实现方法？1.4 对于线宽为的洛仑兹函数和高斯函数，-0为多大时，这两个函数值相等？在什么频率范围内，洛仑兹函数值大于高斯函数值？1.5 试辨析激光振荡器、激光放大器和激光器的区别。1.6 何谓有源腔和无源腔？为什么激光的谱线总是有一定的宽度？1.7 小信号增益系数和大信号增益系数有何不同，如何区分？小信号的增益系数对激光输出功率有什么影响？2. 综合思考题(选做2小题，每小题15分)302.1. 一均匀加宽的连续激光器，腔长为L，工作物质为三能级系统，其长度为l，折射率1，两反射镜的光强反射率分别为r1 = 1，r2 I2)。(1)试分别画出反转粒子数按速度vz的分布曲线n(vz)，并标出烧孔位置及烧孔深度。(2)试问有效泵浦功率或气体的气压变化，对分布曲线n(vz)有何影响？2.3. 选模复合腔如图所示，M、M1、M2为全反镜，M3为部分透射镜。(1)试分析其选模原理和条件；(2)如腔内增益介质振荡线宽为osc, 为了获得单纵模输出，l1、l2应如何选择？3. 计算题(选做3小题，每小题15分)453.1. What would be the output intensity of a helium-neon laser operating at 632.8 nm if ithas a small-signal gain of 0.15/m? The laser has two mirrors of reflectivity 99.99%and 97%, a gain-medium length of 0.4 m, and essentially no scattering losses. (Weassume that the dominant broadening is Doppler broadening and the laser has thesaturate intensity of 15W/cm2)3.2. What would be the threshold inversion density nth for a Nd:YAG laser if it has twomirrors of reflectivity 99.99% and 50%, a gain-medium length of 10 cm, andessentially no scattering losses? The laser has a stimulated emission cross section21 of 2.810-23 m2 .3.3. 计算在理想的情况下，长度为10 cm，横截面为1 cm2 , Cr3+ 离子浓度为21019cm-3的红宝石调Q激光器可能获得最大光能量是多少？对于具有相同几何尺寸，含相同离子浓度（Nd3+）的钕玻璃激光器可能获得最大光能量是多少？若巨脉冲宽度为T = 10 ns，则腔内激光的峰值功率又为多少？红宝石激光器和钕玻璃激光器的输出激光波长分别为694.3 nm 和1.06 m。3.4. 一内腔式He-Ne 激光器腔长L = 50 cm，F = 1.5 GHz，在一定的泵浦功率下，测得最大增益系数gmax = 0.15 m-1，忽略腔内其它损耗。试问(1)要产生激光振荡，输出端的透过率不得超过多少? (2) 若输出端的透过率T = 0.1时，腔内有可能形成多少个纵模振荡?4. 创意题：试以任何表现形式（注意别违反考场纪律）最有效、最大限度地展示你对这门课理解的程度（深度、广度）（选做题）附加分1基本概念题 (每小题5分) 251.1 The active medium an incident E. M. wave. The optical resonator part of the induced emission, within a few resonator modes. The energypump pumps energy into the active medium to populate selected levels andto achieve .1.2 任何一个共焦腔与 个稳定球面腔等价，而任何一个满足稳定条件的球面腔 等价于 个共焦腔，并与 个其他稳定球面腔等价。1.3 腔内有 的腔称为有源腔，在有源腔中，由于 ，使纵模频率比无源腔纵模频率更 中心频率，这种现象称为 现象？1.4 调Q技术的目的是 ，其实质是调 ，实现调Q的主要方法包括 、等。1.5 A photon with the wavelength of 1m would have the frequency of Hz, thewave number per centimeter of and the energy E = J whichequivalent to ？ ev. ( h = 6.6256x10-34J.s)5. 综合思考题(选做3小题，每小题15分)456. 1试分析激光增益介质的荧光线宽和线型(展宽机制)在激光振荡过程中所起的作用6.1. 下图(a)、(b)、(c)是激光器运转的三种泵浦方式，E2、E1分别为激光的上下能级。(1) 试分析比较这三种泵浦方式的特点(优缺点)；(2) 说明各自适用于哪类激光器的泵浦。共2页 第2页6.2. 如右上图所示的一稳定平-凹光学谐振腔，球面镜曲率半径为R，腔长为L。试证明该腔等价于另一个球面镜腔右下图)：其腔长为L = l + L, 一腔镜的曲率半径仍为R，另一腔镜的曲率半径 R2 = l + L(R-L) / l 。6.3. (1) 三能级系统和四能级系统的主要区别是什么？简要说明它们在实现粒子数反转过程中的特点；(2)试列出二能级系统的速率方程组（设能级简并度f1=f2）。(3)分析二能级系统能否实现粒子数反转。6.4. There are two effects of modes on the gain medium profile, called spectral holeburning (or frequency hole burning) and spatial hole burning. Try to give someexplanation about their formations, the impact upon the gain profile and the modecompetition.7. 计算题(选做2小题，每小题15分)307.1. What would be the output intensity of a helium-neon laser operating at 632.8 nm if it has asmall-signal gain of 0.15/m? The laser has two mirrors of reflectivity 99.99% and 97%,a gain-medium length of 0.3 m, and essentially no scattering losses. (We assume that thedominant broadening is Doppler broadening and the laser has the saturate intensity of15W/cm2)7.2. 长度为10 cm的红宝石棒置于长度为20 cm的光谐振腔中，红宝石694.3nm谱线的自发辐射寿命 s 4ms, 均匀加宽线宽为2105 MHz,，光腔单程损耗=0.2。求：(1) 阈值反转粒子数密度nt；(2) 当光泵激励产生反转粒子数密度n = 1.16 nt 时，有多少个纵模可以振荡(红宝石折射率为1.76); (3) 假设红宝石棒的横截面为1cm2, 其中Cr3+ 离子浓度为21019 cm-3，采用调Q技术获得T =10 ns 的巨脉冲输出，试估算理想情况下可获得的激光脉冲能量和峰值功