激光原理及应用试卷

1、激光原理及应用考试时间：第18 周星期五（2007年1月5日）一单项选择（30分）1 自发辐射爱因斯坦系数与激发态 E2平均寿命T的关系为（B ）2爱因斯坦系数珞和B21之间的关系为（C)3 自然增宽谱线为（C ）（A）高斯线型（B）抛物线型(C)洛仑兹线型 （D）双曲线型4 对称共焦腔在稳定图上的坐标为(B)(A) (-1 , -1 )( B)(0, 0)(C)(1,1)(D) (0, 1)5 阈值条件是形成激光的（C)（A）充分条件 （B）必要条件 （C）充分必要条件（D）不确定6 谐振腔的纵模间隔为（B ）7对称共焦腔基模的远场发散角为（C ）8谐振腔的品质因数Q衡量腔的（C ）（A）质

2、量优劣（B）稳定性（C）储存信号的能力（D）抗干扰性9 锁模激光器通常可获得（A）量级短脉冲10. YAG激光器是典型的（C）系统（A）二能级 （B）三能级(C)四能级（D）多能级二填空（20分）1. 任何一个共焦腔与 等价，而任何一个满足稳定条件的球面腔 地等价于一个共焦腔。（4分）2 .光子简并度指光子处于 、。（4分）3 激光器的基本结构包括三部分，即 、 和 。 （3分）4. 影响腔内电磁场能量分布的因素有 、。（3 分）5. 有一个谐振腔，腔长L=1m在1500MT的范围内所包含的纵模个数为 个。（2分）6. 目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分， 则可分为四大

3、类，它们分别是 、和o （4分）三、计算题（42分）1. （8分）求He-Ne激光的阈值反转粒子数密度。已知= 6328?, 1/f（）= 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=%，= 10，腔长 L=。2. （12分）稳定双凹球面腔腔长L= 1m,两个反射镜的曲率半径大小分别为 R = ,R2= 3m求它的等价共焦腔腔长，并画出它的位置。3. （ 12分）从镜面上的光斑大小来分析，当它超过镜子的线度时，这样的横 模就不可能存在。试估算在 L= 30cm, 2 a=的He-Ne激光方形镜共焦腔中所 可能出现的最高阶横模的阶次是多大？4. 4. （10

4、分）某高斯光束的腰斑半径光波长。求与腰斑相距 z=30cm处的光 斑及等相位面曲率半径。四、论述题（8分）（8分）试画图并文字叙述模式竞争过程激光原理及应用（A）卷答案及评分标准：一、（30 分）BCCBCBCCAC】、（20分）1.无穷多个稳定球面腔（2分）唯一（2分）1. 处于一个光子态的平均光子数（1分）处于同一模式的光子数（1分）相干体积内偏振一样的光子数（1分）处于同一相格中的偏振一样的光子数（1 分）3工作物质、激励能源、光学谐振腔（3分）4.（1分）（1分）（1分）5. 10（2 分）6 .固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器（4分）三（42分）1 （8 分）解；2

5、（12 分）解：假设所要求的等价共焦腔的共焦参数为f，以等价共焦腔中点为z坐标的原点，M, M两镜的z坐标为乙和Z2,有代入数值 L= 1m, R1= 1.5m,R2 = 3mf得：（3 分） 等价共焦腔腔长（1分）（4 分）位置如上图所示。3 . （12 分）解：高阶模沿x,y方向的光斑半径分别为 （2分）基模光斑半径：（3分）横模存在时，要求满足（2分）即:（ 2分）即,同理有：故可能出现的最高阶横模的阶次是 7。（ 3分）4（ 10分）解：光斑半径：等相位面曲率半径四、论述题（8分）1. （8 分）答：图中q-1 , q-2 , q, q+1, q+2 5个纵模满足阈值条件，随着外 界激

6、发的增强，则纵模的光强增长，但是，光强增加时，引起增益饱和 作用，增益一一频率下降，曲线变扁，使曲线1变为曲线2, q-2 , q+2满足阈值。（1分）光强继续增加时，曲线2变为曲线3,使q-2 , q+2的增益小于阈 值，不再振荡，而q-1 , q+1满足阈值。（1分）光强继续增加时，曲线3变为曲线4,使q-1 , q+1的增益小于阈值， 不再振荡，则只剩下q模满足阈值条件获得 输出。这种通过增益饱和效应， 靠近谱线中心频率的纵模逐渐把 其他纵模抑制掉的过程就是模式 竞争。（3分）（3分）广东工业大学考试试卷（B ）课程名称：激光原理及应用考试时间：第18 周星期五（2007年1月5日） 一

7、单项选择（30分）1 在一定温度下，自发辐射几率是受激辐射几率的（ B ）倍2 粒子数反转分布状态微观粒子满足（D ）（A）费米分布（B）高斯分布（C）玻尔兹曼分布（D）负温度分布3 碰撞增宽谱线为（C ）（A）高斯线型 （B）抛物线型 （C）洛仑兹线型 （D）双曲线型4. CO谱线的多普勒增宽为53MHz中心频率所对应的谱线函数极大值为 （A ）5平行平面腔在稳定图上的坐标为（C ）（A） （-1 , -1 ）（ B）（0, 0）（ C） （1,1） （D） （0, 1）6. 谐振腔的纵模共振频率为（A ）7 对称共焦腔基模光腰为（A ）8. 对同一种介质，小信号增益系数随（B ）变化（A）

8、谱线宽度 （B）激发功率 （C）粒子数密度（D）自发辐射几率9. 调Q激光器通常可获得（C ）量级短脉冲10. 红宝石激光器是典型的（B ）系统（A）二能级 （B）三能级 （C）四能级（D）多能级二. 填空（20分）1. 激光束的基本特性是 、分）2. 光和物质相互作用产生受激辐射时，辐射光和照射光具有完全相同的特性, 这些特性是指和 。（4分）3 激光腔振荡模的特征是 、。 （4分）4. He-Ne激光器是典型的四能级系统，有三条主要激光谱线，其激光谱线及波 长分别为、。（ 6分）5 若光束通过1m长的激光介质以后，光强增大了一倍，此介质的增益系数G为（ 2 分）三、计算题（44分）1. （

9、8分）静止氖原子谱线中心波长为，求当它以速度向观察者运动时，中心波 长变为多大？2. （8分）腔长为的氩离子激光器，发射中心频率=IO 1°Hz,荧光线宽=6 I0 *Hz,问它可能存在几个纵模？相应的q值为多少？（设=1）3. （20分）某激光器采用平凹腔，腔长 L= 1m凹面镜曲率半径R= 2m求：（1）它产生的基模高斯光束的腰斑半径及腰斑位置。（2）它产生的基模高斯光束的焦参数。（3）它产生的基模高斯光束的远场发散角。4, （8分）He-Ne激光器辐射6328?光波，其方形镜对称共焦腔，腔长 L=。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

10、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？四论述题（6分）1. （6分）试述调Q激光器原理激光原理及应用（B）卷答案及评分标准：一. （30分）BDCACAABCB二. （20分）1. 方向性好、单色性好、相干性好、高亮度 （4分）2. 相位、频率、偏振态、 传播方向。（4分）3.4. 3S2P（2分）2S2P（2分）3S3P（2分）5.G=ln2 m-1（2分）三（ 44分）1 （8分）解：由多谱勒效应：，（两者相互接近时，即相向时，）（4分）（4分）2. （8分）解：，（2分（2分）则可能存在的纵模数有三个，它们对应的 q值分别为:q+ 1= 195000

11、1,q 1 = 19499993 （ 20 分）解：（1）它产生的基模高斯光束的腰斑半径及腰斑位置。（3分）代入各数值得：f = 1cm（1分）又 R= 2m= 2L可见此平凹腔为半共焦腔（2分）腰斑半径为：（3分）设平面镜距腰斑位置为，凹面镜距腰斑位置为，则 （4分）可见腰斑位置z=0刚好在平面镜处。（1分）（2）它产生的基模高斯光束的焦参数。其产生的基模高斯光束的焦参数即为产生高斯光束的共焦腔焦参数，即 f = 1cm（1 分）（3）它产生的基模高斯光束的远场发散角：4 （8分）解：（1）TEM0。模在镜面处的光斑半径为所以光阑孔径应该为（4分）TEM11模在镜面处的光斑半径为（4分）所以

12、光阑孔径为四. （6分）1 （6分）答：初始时腔的Q值很低，使腔内的损耗变大，上能级不断积累大量粒子。 当在一定的外界激发功率下，上能级上的粒子数积累到最大值，（3分）突然使谐振腔的Q值变高，这时激光器的阈值突然降低，聚集在上能级上的粒子 立即以极高的速度以雪崩的方式跃迁到低能级上，在瞬间形成极高的光脉冲峰值 功率。（3分广东工业大学考试试卷（A ）课程名称：激光原理与技术 试卷满分100 分考试时间：2007年6月18日（第16周 星期 一）一、选择题（每题3分，共30分）1. 世界上第一台激光器是（）（A）氦氖激光器.（B） 二氧化碳激光器.（C） 钕玻璃激光器. （D）红宝石激光器.（E

13、）砷化傢结型激光器.2. 按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们 所产生的光的特点是：（）（A）两个原子自发辐射的同频率的光是相干的， 原子受激辐射的光与入射光 是不相干的.（B）两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射光是相干的.（C）两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射光是不相干的.（D）两个原子自发辐射的同频率的光是相干的， 原子受激辐射的光与入射光 是相干的.3. 氦-氖激光器属于典型的（）系统（A）二能级 （B）三能级 （C）四能级（D）多能级4. 体积，线宽，中心波长60nm，模式数目为（）5. 多普勒加宽

14、发生在（）介质中（A）固体（B）液体（C）气体（D）等离子体6. 半共心腔在稳定图上的坐标为（）（A） （-1，-1 ）（ B）（0, 0）（ C） （1,1）（D） （0，1）7. 对于均匀增宽介质，中心频率处小信号增益系数为，当时，饱和显著，非小信号中心频率增益系数为：（）（A）（B）（C）（D）8. 平凹腔，其凹面镜的半径R等于腔长L,它是（）（A）稳定腔 （B）临界腔 （C）非稳腔（）（B）维恩公式（D）爱因斯坦公式9.能够完善解释黑体辐射实验曲线的是（A）瑞利-金斯公式（C）普朗克公式10.腔长为米,卩=,纵模间隔为（）（A）（B）（C）（D）二、填空题（共20分）1. 稳定腔的一块

15、反射镜的曲率半径 R1= 4L,求另一面镜的曲率半径取值范围2. 一共焦腔（对称）L=，入二 m束腰半径，离腰56cm处的光束有效截面半径为 。（5分）3. 下图是红宝石的能级结构和跃迁示意图2分，共10分）请说明图中以下符号的意义，（每空W 吕 E Ai。三、计1. （12分）（1） 一质地均匀的材料对光的吸收为、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。2. （14分）试从式出发，证明用最佳透射率表示的非均匀增宽激光器的最佳输出 功率为：3. （14分）考虑一用于氩离子

16、激光器的稳定球面腔，波长入二 m腔长L= 1m腔镜曲率半径R=，R=4m试计算光腰尺寸和位置及焦参数。四、简答题（10分）1.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？广东工业大学试卷参考答案及评分标准（）课程名称：激光原理与技术。考试时间：2007年6月18日（第16周星期一） 单项选择题（每题3分，共30分）1（ D ）、2（ B ）、3 （ C ）、4 （ C ）、5 （ C ）6（ D）、7 （ C）、8 （ B ）、9 （ C）、10 （ B）二、填空题（20分）1. （5分）2 （5 分3 .（每空2分，共10分） 受激吸收几率（激励几率）受激发射几率激

17、光上能级、基态能级，又是激光下能级，也是抽运能级、 自发发射几率三、计算题（共40分）解：（1） （12 分）（2 分）（3分）（2）（2 分）（2分）（3分）2. （14分）证明：由，等式两边对t求导，并令其为零（3分）得：（3分）整理上式可得：，即：（3分）式中t即为最佳透射率t m，则最佳输出功率（2分）（3分）3 （14 分）解：（1）束腰半径（3分）（2）束腰位置m（2分）（3）两镜面上的光斑尺寸分别为:（3分）（3分）(4)焦参数（3分）四、简答题(10分)1 答：不会(2分)因为连续激光器稳定时增益系数为,G为小信号增益系数，I为腔内光强，is为饱和光强。 (3分)因此，当满足阈

18、值条件以后，当外界的泵浦功率增加时，腔内光强增加， 引起增益饱和作用，则增益下降。(2分)在稳态工作时，激光器的增益系数保持与阈值相等，不会随泵浦功率的 提高而增加。广东工业大学考试试卷(B )课程名称：激光原理与技术 试卷满分100 分考试时间：2007年6月18日(第16周星期一)一、单项选择题(每题3分，共30分)1.原子受激辐射的光与外来引起受激辐射的光具有相同的()频率、发散角、量子状态、偏振、传播方向(A)(B)(C)(D)2. 在激光器中利用光学谐振腔()(A) 可提高激光束的方向性，而不能提高激光束的单色性.(B) 可提高激光束的单色性，而不能提高激光束的方向性.(C) 可同时

19、提高激光束的方向性和单色性(D) 既不能提高激光束的方向性也不能提高其单色性.3. 自然加宽是由于()引起(B)粒子的碰撞(D)粒子的振动A)激发态有一定的寿命(C)多普勒效应4. 多普勒加宽宽度可表示为()(A)(B)(C)(D)5. 一平凹腔，其凹面镜的半径R小于腔长L,它是()A)稳定腔(B)临界腔(C)非稳腔6对称共心腔在稳定图上的坐标为()(A) (-1，-1 )( B)(0, 0)( C) (1, 1)(D) (0，1)7.8.在方型对称情形，TEM对应的花样（A）（ B）（ C）在连续运转激光器稳定状态（A）增益系数随泵浦功率增加（C）小信号增益系数随光强增加）（D）（B）增益系

20、数随光强增加而减少（D）增益系数等于阈值增益系数(E)9.设均匀增宽型介质的小讯号增益曲线的宽度为，当时的稳定工作时讯号 增益曲线的线宽为（）10.锁模激光器输出脉冲功率，为：（）（A）脉冲数目.（B）纵模数目.（C）横模数目.（D）能级数目二、填空题（共20分）1. 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R（5 分）2. 连续工作的CO激光器输出功率为50W有效截面内的功率），聚焦后的基模有效截面直径二50 m每平方厘米平均功率为.（5 分）3请完成下面的表格 激光器工作物名称质粒子（每格2分，共10分） 工作物激光谱线波长 质形态能级系统激励方式类型红宝石固态二能级系统He-NeNe 原子能量的共振转移三、计算题（40分）1. （12分）He-Ne激光器的中心频率1014Hz，荧光线宽f= 10 9Hz。今腔长 L= Im，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？2. （14分）（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、方形镜边长a）（2）这些节线是否等间距？3. （14分）某谐振腔的几何参数分别是、及.（1）这是哪一类型谐振腔？（2）试求其等价对称共焦腔的参数（f ） （3）请在同一个