试题2006答案.doc

清华大学本科生考试试题专用纸【A】 班级 考试课程 激光原理 2006年 6 月14日 姓名 一、 填空：（共28 分，前7题每空1分；后3题每空2分）1氩离子激光器的优势谱线加宽类型 非均匀加宽 ， 采用 放电 激励，主要输出波长 488nm, 514.5nm 。2掺铒光纤放大器（EDFA）中的发光粒子是 铒离子 ，属 三 能级系统，采用 激光 泵浦激励方式，无信号光输入时，输出光为_ASE （放大的自发辐射）_。当输入光功率为1mw, 放大器小信号增益为30dB, 输出光功率为_1 mw_。 （参见书上p.290图9.4.3）3将一腔镜固定在压电陶瓷环上，要使纵模频率移动一个频率间隔，则压电陶瓷环长度变化 半个波长（） 。 4固体激光器弛豫振荡频率及衰减常数都与 泵浦激励 有关。5用F-P标准具选单纵模时，标准具的自由谱区（相邻透射率峰的频率间隔）应大于激光器的 振荡线宽 ，而透射谱线宽度需 小于 纵模间隔。6选横模能改善激光的 空间 相干性；选纵模有利于提高激光的 时间 相干性。7均匀加宽工作物质的增益饱和效应与频率 有关 ；非均匀加宽工作物质的增益饱和效应与频率 无关 。8若He-Ne激光器的一个振荡模在增益曲线的半高位置处形成烧孔，已知Ne原子跃迁的中心波长为632.8nm，多普勒线宽，则烧孔中心的Ne原子速度为 9一均匀加宽宽度为的激光器，当时，振荡线宽为。10. 一均匀加宽, 幅度调制主动锁模激光器有100个纵模相位被完全锁定，若纵模间隔为1GHz, 输出光脉冲的重复频率是_1GHz_, 脉冲宽度约为_10-11_秒。若相位未锁定时的平均输出功率为5mw，该锁模激光器输出脉冲的峰值功率为_500mw_。若输出脉冲为高斯形，则锁模脉冲的谱线宽度为_44.12GHz_。二、(10分)下图为一台激光器装置示意图，写出下列 元件在该激光装置中所起作用，并回答有关问题。 电光晶体：请在图上标出座标轴X、Y、Z，若晶体半波电压为4kv, 有激光脉冲输出（Q开关打开）时施加在晶体上的电压为_0或4kv_。 (2 分) 格兰棱镜：_起偏和检偏_. 请在图上标出偏振方向。 （2分） 小孔光阑：_选横模_。 （1分） F-P 标准具：_选纵模_。调节标准具倾角, 可改变_输出频率_。 （2分） (写出元件名称及所起作用)_光隔离器_，单向传输，防止光反向注入_。（2分） 红宝石棒(G0)：_光放大_。（1分）三（12分）单纵模CO2激光器的自然线宽，碰撞线宽，其中P为激光管内充气压强，多普勒线宽，激光器单程损耗为，工作物质长为l，试作出下列情况下的小信号增益曲线和激光器稳定单模振荡时的增益曲线示意图，单模振荡频率为，中心频率为。1) P=133.3 Pa， ；（3分） 2）P=133.3 Pa， （3分）3）P=6665 Pa， ；（3分） 4）P=6665 Pa， （3分）P=133.3 Pa，以多普勒加宽为主，(1)，两个烧孔；(2) ，在中心烧一个孔P=6665Pa，以碰撞加宽（即均匀加宽）为主，四（15分）Q开关调制激光器，若激光上、下能级的统计权重不等，即，增益介质长度等于腔长（即l=L）。试证明反转粒子数密度速率方程及最大光子数密度可修正为 式中 证明：（1）由于调Q脉冲持续时间短，忽略自发辐射及泵浦激励作用的影响，因此激光跃迁上下能级粒子数密度速率方程可简化为 (1) (2)式中 。 式(2)两边乘以, 并和式(1)相减后得 (3) 代入式（3）可得（2）在上小题所设前提条件下，调Q激光器光子数密度速率方程 （4）式（4）除以式（3）得 （5）对上式积分后得 当时，N达到最大值，忽略由于自发辐射产生的初始光子数密度Ni，得 证毕五、（15分）今有一个三能级系统，其中是基态，三个能级的统计权重相等，已知总粒子数密度为n。泵浦光频率与、间跃迁相对应，其跃迁几率W13=W31=Wp。能级的寿命较长，能级的寿命较短，的跃迁几率为。求：1) 在和间形成粒子数反转的条件；（5分）2) 求和间的反转粒子数密度和的关系式；（7分）3) 泵浦极强时和间的反转粒子数密度。（3分）解：(1) 列出稳态速率方程： (1) (2) (3)由式(2)可得 (4) (5)由式(5)可见，在和间形成集居数反转的条件是 (2) 由式(1)可得 （6）将式(6)代入式(2，可得 由上式并利用式(3)，可得 上式可改写为 利用式（4）,可得 由此可得 将上式代入式(5), 可得 或 或(3) 当Wp极强时，Wp1 六、（20分）有一假想的气体激光器能级结构如右下图所示，t20=10ms, t21=1ms, t10=10ns; 能级简并度f0=f1=f2=1, 1) 该系统能级21的跃迁能构成连续激光器吗？说明原因。（3分）2) 试求21辐射跃迁的自然线宽。（3分）3) 假定每个布儒斯特窗片的损耗为0.4%，每块反射镜附加损耗为0.1%，两反射镜的透过率如图所示，求该激光器阈值增益系数单位m-1 （6分）4) 假设泵浦速率R1和R2 相等，由速率方程求该系统达到阈值增益时所需泵浦速率表达式？(8分)T=5%T=0%（1） 可以构成一个连续激光器。因为，E2能级上的粒子大多跃迁到E1能级上，较少