激光原理及应用(第三版)习题答案.pdf

激光原理及应用第三版 1 思考练习题 1 1 试计算连续功率均为 1W 的两光源 分别发射 0 5000 mm 3000MHz 的光 每 秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少 答 粒子数分别为 2 热平衡时 原子能级 E2的数密度为n2 下能级 E1的数密度为n1 设 求 1 当原子跃迁时相应频率为 3000MHz T 300K 时n2 n1为若干 2 若原子跃迁时发光波 长 1 m n2 n1 0 1 时 则温度 T 为多高 答 1 则有 2 3 已知氢原子第一激发态 E2 与基态 E1 之间能量差为 1 64 l0 18J 设火焰 T 2700K 中 含有 1020个氢原子 设原子按玻尔兹曼分布 且 4g1 g2 求 1 能级 E2上的原子数n2为 多少 2 设火焰中每秒发射的光子数为 l08n2 求光的功率为多少瓦 答 1 且 可求出 2 功率 4 1 普通光源发射 0 6000 mm 波长时 如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比 求 此 时 单 色 能 量 密 度为 若 干 2 在 He Ne 激 光 器 中 若 为 0 6328 mm 设 1 求为若干 答 1 激光原理及应用第三版 2 2 5 在红宝石Q调制激光器中 有可能将全部Cr3 铬离子 激发到激光上能级并产生巨脉冲 设红宝石直径 0 8cm 长 8cm 铬离子浓度为 2 1018cm 3 巨脉冲宽度为 10ns 求 1 输 出 0 6943 mm 激光的最大能量和脉冲平均功率 2 如上能级的寿命 10 2s 问自发辐射 功率为多少瓦 答 1 最大能量 脉冲平均功率 2 6 试证单色能量密度公式 用波长来表示应为 证明 7 试证明 黑体辐射能量密度为极大值的频率由关系给出 并 求出辐射能量密度为极大值的波长与的关系 答 1 由可得 令 则上式可简化为 激光原理及应用第三版 3 解上面的方程可得 即 2 辐射能量密度为极大值的波长与的关系仍为 8 由归一化条化证明 1 65a 式中的比例常数 证明 由归一化条件且是极大的正数可得 9 试证明 自发辐射的平均寿命 为自发辐射系数 证明 自发辐射时在上能级上的粒子数按 1 26 式变化 自发辐射的平均寿命可定义为 式中为 时刻跃迁的原子已在上能级上停留时间间隔产生的总时间 因此上述广 义积分为所有原子在激发态能级停留总时间 再按照激发态能级上原子总数平均 就得到自 发辐射的平均寿命 将 1 26 式代入积分即可得出 激光原理及应用第三版 4 10 光的多普勒效应中 若光源相对接收器的速度为 证明接收器接收到的频率 在一级近似下为 证明 即证 11 静止氖原子的 3S2 2P4谱线的中心波长为 0 6328 mm 设氖原子分别以 0 1c 0 5c的速度向着接收器运动 问接收到的频率各为多少 答 同理可求 12 设氖原子静止时发出 0 6328 mm 红光的中心频率为 4 74 1014Hz 室温下氖原子的平 均速率设为 560m s 求此时接收器接收频率与中心频率相差若干 答 13 1 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 光束通过长度为 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 答 1 2 激光原理及应用第三版 5 思考练习题 2 1 利用下列数据 估算红宝石的光增益系数n2 n1 5 1018cm 3 1 f n 2 1011s 1 3 10 3s 0 6943 mm l 5 g1 g2 答 2 He Ne 激光器中 Ne 原子数密度n0 n1 n2 l012cm 3 1 f n 15 109s 1 0 6328 mm 10 17s g3 3 g2 5 又知 E2 E1能级数密度之比为 4 求 此介质的增益系数 G 值 答 3 a 要制作一个腔长 L 60cm 的对称稳定腔 反射镜的曲率半径取值范围如何 b 稳定 腔的一块反射镜的曲率半径 R1 4L 求另一面镜的曲率半径取值范围 答 a b 4 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 答 5 试证非均匀增宽型介质中心频率处的小讯号增益系数的表达式 2 28 激光原理及应用第三版 6 证明 即证 6 推导均匀增宽型介质 在光强I 频率为n的光波作用下 增益系数的表达式 2 19 证明 而 依据上面两式可得 即证 7 设均匀增宽型介质的小讯号增益曲线的宽度为 求证 I IS时的稳定工作时讯号增 益曲线的线宽为 并说明其物理意义 证明 1 当时 增益系数的最大值为 当增益系数的最大值为增益系数的最大值的一半时 即 激光原理及应用第三版 7 时 对应有两个频率为 2 物理意义 当光强时 介质只在范围内对光波有增益作用 在此范围外 增益可忽略不计 而光波也只在这个线宽范围内对介质有增益饱和作用 8 研究激光介质增益时 常用到 受激发射截面 cm2 概念 它与增益系数 cm 1 的关系是 为反转粒子数密度 试证明 具有上能级寿命为 线型函数为的介质的受激发射截面为 证明 9 饱和光强是激光介质的一个重要参数 证明均匀增宽介质在中心频率处的饱和 光强 并计算均匀增宽介质染料若丹明 6G 在 0 5950 mm 处的饱和光 强 已知t 5 5 l 0 9s 4 66 1013Hz 1 36 答 1 2 激光原理及应用第三版 8 10 实验测得 He Ne 激光器以波长 0 6328 m工作时的小讯号增益系数为G0 3 10 4 d cm 1 d 为腔内毛细管内径 cm 以非均匀增宽计算腔内光强I 50W cm2的增益系 数 G 设饱和光强Is 30W cm2时 d 1mm 并问这时为保持振荡稳定 两反射镜的 反射率 设 r1 r2 腔长 0 1m 最小为多少 除透射损耗外 腔内其它损耗的损耗率 9 10 4cm 1 又设光斑面积A 0 11mm2 透射系数 0 008 镜面一端输出 求这时输 出功率为多少毫瓦 答 1 2 3 11 求 He Ne 激光的阈值反转粒子数密度 已知 6328 1 f n 109Hz 1 设总损耗率为 相当于每一反射镜的等效反射率 R l L 98 33 10 7s 腔长 L 0 1m 答 12 红宝石激光器是一个三能级系统 设 Cr3 的n0 1019 cm3 t21 3 10 3s 今以波长 0 5100 mm 的光泵激励 试估算单位体积的阈值抽运功率 答 13 YAG 激光器为四能级系统 已知 1 8 1016cm 3 t32 2 3 10 4s 如以波长 0 75 mm 的光泵激励 求单位体积的阈值功率并与上题比较红宝石的阈值功率是它的几倍 激光原理及应用第三版 9 答 1 2 倍数 65 2 1 31 激光原理及应用第三版 10 思考练习题 3 1 腔长为0 5m的氩离子激光器 发射中心频率 5 85 l014Hz 荧光线宽 6 l08Hz 问它可能存在几个纵模 相应的q值为多少 设 1 答 则可能存在的纵模数有 2 1 3 个 它们对应的 q 值分别为 q 1 1950001 q 1 1949999 2 He Ne激光器的中心频率 4 74 1014Hz 荧光线宽 1 5 l09Hz 今腔长L lm 问可能输出的纵模数为若干 为获得单纵模输出 腔长最长为多少 设 1 答 即可能输出的纵模数为 10 1 11 个 要想获得单纵模输出 则 故腔长最长不得大于 3 1 试求出方形镜对称共焦腔镜面上模的节线位置的表达式 腔长L 光波波长l 方形镜边长a 2 这些节线是否等间距 答 1 2 这些节距是等间距的 4 连续工作的 CO2激光器输出功率为 50W 聚焦后的基模有效截面直径 50 mm 计 算 1 每平方厘米平均功率 50W 为有效截面内的功率 2 试与氩弧焊设备 104W cm2 及 氧乙炔焰 103W cm2 比较 分别为它们的多少倍 答 1 每平方厘米的平均功率为 激光原理及应用第三版 11 2 是氩弧焊的倍 是氧乙炔焰的倍 5 a 计算腔长为 1m 的共焦腔基横模的远场发散角 设 632 8nm 10km 处的光斑面积多 大 b 有一普通探照灯 设发散角为 2 则 1km 远处的光斑面积多大 答 1 基横模的远场发散角 2 10km处的光斑尺寸 10km 处的光斑面积 3 1km 处的光斑尺寸 1km 处的光斑面积 6 激光的远场发散角 半角 还受到衍射效应的限制 它不能小于激光通过输出孔时的衍 射极限角 半角 1 22 d 在实际应用中远场发散角常用爱里斑衍射极限角来近似 试计算腔长为 30cm 的氦氖激光器 所发波长 6328 的远场发散角和以放电管直径 d 2mm 为输出孔的衍射极限角 答 1 远场发散角 2 衍射极限角 7 一共焦腔 对称 L 0 40m 0 6328 mm 束腰半径 求离腰 56cm 处的 光束有效截面半径 答 8 试讨论非共焦腔谐振频率的简并性 纵模间隔及横模间隔 并与共焦腔进行比较 答 非共焦腔的谐振频率表达式为 激光原理及应用第三版 12 1 简 并 性 对 于 纵 模 来 说 非 共 焦 腔 的 谐 振 频 率 一 般 不 具 有 简 并 性 除 非 时才出现纵模的简并 如果纵模序数一定 不同的横模可以 存在一定的简并 只要 m n 不变 谐振频率就相同 2 纵模间隔 与共焦腔是一致的 3 横模间隔 不仅与腔长有关 还与介质的折射率 镜面的曲 率半径有关 这与共焦腔是不同的 9 考虑一用于氩离子激光器的稳定球面腔 波长 0 5145 mm 腔长L 1m 腔镜曲率半 径 R1 1 5m R2 4m 试计算光腰尺寸和位置 两镜面上的光斑尺寸 并画出等效共焦腔的 位置 答 1 束腰半径 2 束腰位置m 3 两镜面上的光斑尺寸分别为 4 10 欲设计一对称光学谐振腔 波长 10 6 mm 两反射镜间距L 2m 如选择凹面镜曲 率半径R L 试求镜面上光斑尺寸 若保持 L 不变 选择 并使镜面上的光斑尺寸 0 3cm 问此时镜的曲率半径和腔中心光斑尺寸多大 答 1 镜面光斑尺寸 此时可把它看作对称共焦腔 2 此时不能当作对称共焦腔 但是仍然是对称光学谐振腔 只是 根 激光原理及应用第三版 13 据 3 50 式可得镜面光斑尺寸为 舍去一个与 L 近似相等的解 3 11 试从 3 81 式出发 证明非均匀增宽激光器最佳输出功率若用最佳透射率表示有 证明 由 3 82 有 整理上式可得 式中 t 即为最佳透射率 tm 则最佳输出功率 12 考虑如图 3 18 所示的 He Ne 激光器 设谐振腔的腔镜为圆形镜 试求 TEM00 和 TEM10模之间的频率差 假定 TEM00q模的单程衍射损耗 00 0 1 试问 维持该激光 器振荡的最小增益系数为多大 激光原理及应用第三版 14 图 3 18 习题三 第 12 题 答 1 因为 因此该谐振腔为稳定腔 圆形镜一般稳定球面腔的谐振频率为 此 公式有误 应为 课本 P63 3 54 式 所以 TEM00与 TEM10之间的频率差为 2 考虑激光器的内部损耗完全由单程衍射损耗造成 由 2 36 式有 激光原理及应用第三版 15 思考练习题 4 1 腔长 30 cm 的氦氖激光器荧光线宽为 1500MHz 可能出现三个纵模 用三反射镜法选取 单纵模 问短耦合腔腔长 应为若干 答 2 He Ne 激光器辐射 632 8nm 光波 其方形镜对称共焦腔 腔长L 0 2m 腔内同时存在 横模 若在腔内接近镜面处加小孔光阑选取横模 试问 1 如只使模振荡 光阑孔径应多大 2 如同时使 模振荡而抑制振荡 光阑孔径应多大 答 1 TEM00模在镜面处的光斑半径为 所以光阑孔径应该为 0 2mm 2 TEM11模在镜面处的光斑半径为 所以光阑孔径为 0 35mm 3 一高斯光束束腰半径 0 2mm 0 6328 m 今用一焦距f为 3cm 的短焦距透镜聚 焦 已知腰粗离透镜的距离为 60cm 在几何光学近似下求聚焦后光束腰粗 答 4 已知波长 0 6328 m的两高斯光束的束腰半径 分别为 0 2mm 50 m 试问此 二光束的远场发散角分别为多少 后者是前者的几倍 答 5 用如图 4 33 所示的倒置望远镜系统改善由对称共焦腔输出的光束方向性 已知二透 镜的焦距分别为f1 2 5cm f2 20cm 0 28mm Ll紧靠腔的输出镜面 激光原理及应用第三版 16 求该望远镜系统光束发散角的压缩比 图 4 33 第 5 题 答 7 设一声光偏转器 声光材料为碘酸铅晶体 声频可调制度为 300MHz 声波在介质 中的速度 3 103m s 而入射光束直径 D 1mm 求可分辨光斑数 答 当声频改变时 衍射光偏转的角度为 而高斯光束的远场发散角为 可分辨光斑数为 8 有一多纵模激光器纵模数是 1000 个 腔长为 1 5m 输出的平均功率为 1W 认为各纵 模振幅相等 1 试求在锁模情况下 光脉冲的周期 宽度和峰值功率各是多少 2 采用声光损耗调制元件锁模时 调制器上加电压 试问电压的频 率f为多大 答 1 周期 宽度 峰值功率 2 频率 激光原理及应用第三版 17 9 钕玻璃激光器的荧光线宽 7 5 1012Hz 折射率为 1 52 棒长l 20cm 腔长 L 30cm 如果处于荧光线宽内的纵模都能振荡 试求锁模后激光脉冲功率是自由振荡时功 率的多少倍 答 倍数 N 20000 倍 激光原理及应用第三版 18 思考练习题 6 1 图 6 2a 所示的角锥棱镜反射器中 O 为三面直角的顶点 OA OB OC 1 试证明当三直 角均没有误差时 由斜面 ABC 上入射的光线的出射光线与原入射光线反向平行 2 若一个 直角误差为 试计算出射光线与原入射光线的夹角 答 1 在棱镜内部入射的光 r1经过三次反射后由 r4射出 也是在棱镜内部 只要能证明r1和r4平行 则它们在棱 镜外的共轭入射和出射光线也是反向平行的 假设三个反射 面的法线方向分别为 经过第一次反射 所以 经过第二次反射后 经过第三次反射 因此经过三次反射后矢量 r1和矢量 r4是反向平行的 说明角锥棱镜的入射和出射光肯定是 反向平行的 2 假设 y 轴和 z 轴的直角有一点偏差 则第三个反射面的法线就变成 则经过第三次反射后 则入射光束 r1与出射光束 r4的夹角 应满足 x y z 激光原理及应用第三版 19 3 在图 6 8 双频激光干涉仪测量空气折射率装置中 真空室长度为 激光在真空中的波 长为 记录下来的累计条纹数 试证明被测气体折射率可以用 6 8 式表示 证明 图 6 8 双频激光干涉仪可测量出真空室内外气体折射率不同造成的光程差 若被测 气体折射率为 真空折射率为 1 长为的真空室造成的光程差为 根据 6 6 式有 故被测气体折射率为 4 分离间隙法的测量原理如图 6 13 所示 试证明狭缝宽度和间隔 级次 暗 条纹的位置 以及工作距离之间的关系为 6 19 式 证明 对于产生暗条纹的 P1点来讲 在平行光照明下 下边沿与上边沿衍射时对应的光 程差为由虚拟的对称下边沿衍射边出发通过实际的下边沿再衍射到 P1点的光程和直接由上 边沿衍射到 P1点的光程之差 同理 对于产生暗条纹的 P2点来讲 在平行光照明下 有 上两式对应的光程差分别等于 因而在分离间隙时狭缝宽度可以用 6 19 式表 示 5 在一拉制单模光纤生产线上测量光纤直径 若光纤外径为 125 微米 外径允差为 1 微 米 不考虑光纤芯的折射率变化的影响 用图 6 10 右半部所示的检测系统 若接收屏处 放置的2048元线阵CCD象素间距为14微米 为保证测量系统的分辨率为允差的五分之一 所用的透镜焦距至少为多大 答 设光纤的外径为 b 第 k 个暗条纹的位置为 透镜焦距为 光波波长为 则有 激光原理及应用第三版 20 6 用如图 6 18所示的激光脉冲测距方法测量地球到月球之间的准确距离 若使用调 Q技术 得到脉宽为 10 9S 而脉冲峰值功率达到 109W 的激光巨脉冲 激光的发散角通过倒置望远镜 压缩到 0 01 毫弧度 光电接收器最低可以测量的光功率为 10 6W 大气层的透过系数为 5 10 2 试问 送上月球的角锥棱镜反射器的通光口径至少要有多大 不考虑角锥棱镜的角度 加工误差 答 激光束达到月球上的光斑半径为 激光束达到月球上的脉冲峰值功率为 设角锥棱镜的通光口径的直径为 a 则有 激光束达到月球上后再被反射回接收器的总功率为 这里没有考虑角锥棱镜的角度加工误差 实际上角锥棱镜的角度加工误差至少要有0 1弧秒 对应返回地球的光束发散角在 5 10 8以上 即使接收透镜的口径达到半米以上 实际送上 月球的角锥棱镜反射器的通光口径至少还要再大一到两个数量级 7 试说明相位测距的原理 若激光相位测距量程要求达到 5Km 测量最小可分辨距离为 1mm 而测相灵敏度为 2 1000 那么至少要几个调制频率才能满足上述技术要求 答 增加一个测距频率的测相灵敏度可达 如果要求 1 的测 距分辨率 则测距信号调制频率至少要有三个 8 一台激光隧道断面放样仪 要在离仪器50米远的断面处生成一个激光光斑进行放样工作 要求放样光斑的直径小于 3 厘米 1 如果使用发散 全 角为 3 毫弧度的氦氖激光器 如何 设计其扩束光学系统以实现这个要求 2 如果使用发光面为 1 3 2的半导体激光器 又 如何设计其扩束光学系统 答 1 在远场情况下 光斑半径可以表示为 其中为倒置望远镜的发散角压缩比 代入有关参数可计算出所要求的最小压缩比为 激光原理及应用第三版 21 因此 所设计的扩束光学系统的最小压缩比为 5 倍 2 半导体激光器的发散角在发光面的长短两个不同方向上不同 为了充分利用其能 量 在扩束系统前需要对光束进行整形 但是在要求不十分高的场合 可以对其中发散比较 小的方向进行处理以达到要求 对发散比较大的部分用光栏挡住一部分光 形成所需要的放 样光斑 按照在远场情况下光斑半径和发散角的关系 用透镜变换后的发散角应为 该发散角对应的束腰半径为 将半导体激光器放在透镜前焦点处产生的束腰与透镜焦距之间关系是 因此所要求的透镜焦距为 9 用如图 6 33 中双散射光路测水速 两束光夹角为 450 水流方向与光轴方向垂直 流水 中掺有散射颗粒 若光电倍增管接收到的信号光频率为 1MHz 所用光源为 He Ne 其波长 为 632 8nm 求水流的速度 答 11 图 6 39 所示的光纤陀螺仪中 以长度为的光纤绕成直径为的由个圆圈组成的 光纤圈 以角速度旋转时 试给出逆向传播的两束波长为的激光产生的差频公式 若耦 合进光纤的半导体激光的波长为 650nm 光纤绕成直径为 1cm 的 100 个圆圈 以角速度 0 1 度 小时旋转时 该频差为多大 答 1 2 激光原理及应用第三版 22 思考练习题 7 3 设半无限大不锈钢厚板的表面半径1 0毫米范围内 受到恒定的匀强圆形激光束的加热 如果激光束总功率为 5kW 吸收率为 6 不锈钢的导热系数为 0 26W cm 试问材料表面 光束中心的最高温度是多少 答 根据 7 6 式有 4 上一题中 如果圆形激光束是 TEM00模的高斯光束 它在不锈钢厚板表面上的有效光束截 面半径是1 0毫米 材料表面光束中心得到的最高温度有多高 它是匀强圆形激光束所得到 的最高温度的几倍 答 5 假设 Nd YAG 激光照射在半无限大铁板上 恒定的匀强圆形激光束直径为 1 0 毫米 激 光脉冲宽度为 1 毫秒 1 若使表面温度控制在铁的沸点 3160K 以下 试问需要激光单 个脉冲的能量是多大 2 试求激光光轴处铁的熔化深度 已知铁的表面反射率为 80 导热系数为 0 82W cm 密度为 7 87g cm3 比热为 0 449J g 且均不随温度而变化 答 1 2 令 其中 根据以上条件用计算机编程 解上述方程可得熔化深度 z 激光原理及应用第三版 23 7 1 如 7 9 和 7 10 式表明的激光打孔的简化的几何 物理模型 对于估算激光打 孔的深度和半径有一定的参考价值 试由 7 9 和 7 10 两式在的条件下导 出 7 11 和 7 12 两式 2 若硬质合金的蒸发气化比能为 11 2J mm3 熔化比能为 5 02J mm3 激光的半会 聚角为 0 1 弧度 在厚度为 5 毫米的硬质合金刀头上打通孔 需要的激光总能量是多少 答 1 证明 对上式两边进行积分可得 同理有即证 2 激光原理及应用第三版 24 思考练习题 9 9 种光盘的记录范围为内径 50mm 外径 130mm 的环形区域 记录轨道的间距为 2 假 设各轨道记录位的线密度均相同 记录微斑的尺寸为 0 6 间距为 1 2 试估算其单 面记录容量 答 在内径和外径之间存在的轨道数为 个 每个轨道记录的容量为 其中 所以总的单面记录容量为 10 如图 9 31 所示的中继透镜激光扫描系统中 如果前后两个透镜组成的望远镜系统的放 大倍数为 2 扫描镜 1 可以完成的扫描角度为 20 后透镜的焦距为 30mm 试问前透镜 的相对孔径为多大 相对孔径定义为透镜通光口径与其焦距之比 答 前透镜的相对孔径仅与扫描镜 1 可以完成的扫描角度有关 扫描镜 1 可以完成 的扫描角度为 20 故其半扫描角为 10 对应的相对孔径为 激光原理及应用第三版 25 思考练习题 10 2 D T 核聚变 压缩点燃的燃料密度和半径之积rR 3 4g cm2 等离子的能量是 1kev 试 证核聚变点火时 核聚变释放能是等离子体热能的 1500 倍 答 等离子的能量是 1kev 对应着等离子气体中粒子的一定的速度分布 对应着等离子的温 度 因此也常常说 1kev 是该等离子的温度 对于氘和氚聚变产生中子和的反应 如果等离子的温度是 反应所产生的两个电子与 D 和 T 处于热平衡 那么等离子体在 聚变中消耗的热能为 燃烧率与压缩点燃的燃料密度和半径之积有关 参考 受控核 聚变导论 M