激光技术习题讲解

1、激光原理与技术实验脉冲掠灯YAG多功能激光实验系统光路图实验内容一、固体激光器的安装调试1、安装激光器.2、调整激光器,使输出脉冲达最强二、激光参数测量1、测量自由振荡情况下激光器的阈值电压.2、测量脉冲能量和转换效率.3、测量光束发散角.三、电光调Q实验研究1、调整Q开关方位,寻找V.2、确定延迟时间.3、测试动静比.四、倍频实验1、测量倍频光能量与入射角的关系.2、倍频效率的测量.五、激光放大实验1、放大器放大倍率测量.2、放大器增益测量3、最正确时间匹配测量.第一章习题1、请解释(1)、激光LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

2、辐射的受激发射光放大(2)、谐振腔在工作物质两端各放上一块反射镜,两反射镜面要调到严格平行,并且与晶体棒轴垂直.这两块反射镜就构成谐振腔.谐振腔的一块反射镜是全反射镜,另一块那么是局部反射镜.激光就是从局部反射镜输出的.谐振腔的作用一是提供光学正反响,二是对振荡光束起到限制作用.(3)、相干长度从同一光源分割的两束光发生干预所允许的最大光程差,称为光源的相干长度,用ASmax表示,相干长度和谱线宽度有如下关系：Smax=/光源的谱线宽度越窄,相干性越好.2、激光器有哪几局部组成一般激光器都具备三个根本组成局部：工作物质、谐振腔和鼓励能源.3、激光器的运转方式有哪两种,脉冲分单脉冲和重复脉冲.4

3、、为使氢式激光器的相干长度到达1km,它的单色性人应为多少?SJmax_9110m=6.32810,°按运转方式可分为：脉冲、连续第二章习题1、请解释(1)、受激辐射高能态E2的粒子受到能量hv=E2-Ei光子的刺激辐射一个与入射光子一模一样的光子而跃迁到低能级Ei的过程称受激辐射.(2)高斯光束由凹面镜所构成的稳定谐振腔中产生的激光束即不是均匀平面光波,也不是均匀球面光波,而是一种结构比拟特殊的高斯光束,沿Z方向传播的高斯光束的电矢量表达式为：E(x,y,z)A(z)exp22-(xy)2(z)*exp-ik(x2y22R(z)z)i(z)高斯光束是从z<0处沿z方向传播的会

4、聚球面波,当它到达z=0处变成一个平面波,继续传播又变成一个发散的球面波.球面波曲率半径R(z)>z,且随z而变.光束各处截面上的光强分布均为高斯分布.(3)、增益饱和受激辐射的强弱与反转粒子数AN有关,即增益系数G元AN,光强IsANN大,G大,由于受激辐射增强,AN减少,因而G也随之减小,但还是有增益的,受激辐射仍然增强,这种增益系数随光强增加而减小的现象称增益饱和.(4)、横模谐振腔中横向不同的稳态光场分布称为不同的横模,用TEMmn标记,m,n为横模序数.m,n=0时为基横模,其它模为高阶横模.(5)、均匀增宽每个粒子对加宽谱线范围内的任一频率都有奉献,因而这种光谱线的加宽称为均

5、匀加宽.如光谱线的自然加宽和碰撞增宽.(6)、阈值条件阈值条件就是光在增益介质中往返一次的增益大于或等于损耗,即:2(G_Q6)L-1或G(v)至o(内-(1/2L)Ln(r1r2)2、试计算连续功率均为1w的两光源,分别发射九二0.5000Nm,v=3000GHz的光,每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少解：(D0.5000-341146.62610310：2.521018：5.031020n=Z3412h、6.62610310123、一光源发射K=0.6000Rm波长时,如果(I激/I自)=1/20000,求此时单色辐射能量密度Py等于多少1h、./kT；e-138h3-C：3.861

6、0,8js/m34、设三原子静止时发光中央频率为v0=4.74父1014HZ,室温下三原子的平均速率设为560m/so求此时接收器接收频率与中央频率相差假设干由=、0(1)c得Av=±-v0%8.85父108Hzc5、稳定谐振腔的两块反射镜,其曲率半径分别为Ri=40cm,R2=100cm,求腔长L的取值范围.解：用作图法可解得0<L040(cm)及100&L&140(cm)6、腔长为0.5m的氮离子激光器,发射中央频率V0=5.85父1014HZ荧光线宽Av=6x108HZ,问它可能存在几个纵模相应的q值为多少(设n=1)解：纵模间隔为c8q=310Hzq2n

7、L纵模数为：1=3AvN-'A相应的q值为：q=v0-2nL=1.95><106第三章习题1、写出气体放电时,粒子间两类非弹性碰撞的反响式,并解释之.第一类碰撞是指高能电子与基态原子碰撞,通过碰撞电子与原子局部交换能量,使原子激发.该过程可用以下反响表达：ei+A(Ei)A*(E2)+e2与第一类碰撞相反,第二类碰撞是指处于激发态的受激粒子与另一未被受激的粒子(包括器壁)碰撞而交换能量的过程.该过程用以下反响式表示：A*+BtB*+A+AE该过程也称其为能量共振转移.只有£很小,与热运动能量相近时,上述过程才发生.2、抑制氮式激光器3.39Nm谱线的方法有哪几种请

8、简单介绍各种方法的原理.解：抑制氮式激光器3.39Nm谱线的方法有色散法,吸收法和加不均匀磁场法.色散法是在腔内插入一块棱镜使不同波长的光色散,而只使0.6328仙m的光在腔内往返,将3.39m的光逸出腔外.吸收法是在腔内参加对3.39仙m有吸收作用而对6328?透照的元件.例如在1米长的外腔式激光器的窗片和反射镜之间放一个5cm长的吸收盒,内充一个大气压的甲烷气体.加不均匀磁场的目的是为了增大3.39仙m的线宽,而减小它的增益.方法是沿着放电管放一排小陶瓷体磁铁,每相邻磁铁的极性相同.这样排列在放电管的轴线上便可产生一不均匀的磁场,在轴向磁场的作用下谱线分裂,由于磁场的不均匀造成了谱线的增宽

9、,由于谱线的增宽使增益下降,3.39m由于V窄,故受磁场影响大,因而得到抑制.3、氢式激光器结构形式有哪几种?内腔式、外腔式和半内腔式.4、固体激光脉冲输出特点是什么请解释尖峰脉冲形成的原因自有振荡激光器的发射特点是：1、发射时间长,峰值功率低2、能量转换效率低尖峰脉冲形成的原因是脉冲氤灯开始闪光后约0.5ms开始发出激光,一经发光就迅速消耗掉上能级的粒子数,使AN降到阈值之下.这样激光发射大约维持1m被迫停止.由于闪光灯继续抽运,上能级粒子数迅速积累,n大于阈值后,又再次发射一个激光脉冲,如此继续.所以在氤灯1ms的闪光时间内,输出一系列小的激光尖峰脉冲,每个尖峰脉冲的持续时间约1份5、请写

10、出二氧化碳激光器上能级粒子数的积累过程.气体放电时,电子获得较高的平均动能,与基态CO2分子和基态N2分子发生第一类非弹性碰撞：e1+CO2(000)te2+CO*2(001)e1+N2tez+N*2(1)N*2(1)与基态CO2发生第二类非弹性碰撞.N*2(1)+CO2(000)TCO2(001)+N2(0)上述过程是激光上能级积累粒子数的过程.6、氮离子激光器的主要输出波长各为哪两条?0.5145lm,0.4880lm.7、半导体激光器实现粒子数反转的条件是什么实现粒子数反转的条件：1、必须使费米能级进入导带和价带,这需要高掺杂.2、另外要在P-N结上加上足够的正向电压v',使ev

11、'=EF-E+F>Eg,P-N结这个作用区很小,厚度为pm量级.当Eg<hv<E-F-E+F的光入射时产生受激放大.第四章激光技术1、腔长30cm的氮式激光器,荧光线宽1500MHz,可能出现三个纵模.用三反镜法选单纵模,问短耦合腔腔长L2+L3应为假设干c1500MHz=c2n(l_2L3)L2L3=10cm2、饱和吸收法稳频较兰姆凹陷法的优点有哪些饱和吸收法稳频,由于反转兰姆凹陷的宽度比兰姆凹陷的宽度窄,所以其中央频率两侧曲线的斜率就比兰姆凹陷曲线的斜率大,这样就可以减小搜索讯号的幅度以提升频率的稳定性.同时还由于吸收线中央频率极为稳定,所以使饱和吸收法获得了很高

12、的长期稳定度和复现度.3、简述电光调Q原理.图略电光调Q是利用某些晶体的电光效应来作为Q开关的元件.由电光效应知,当晶体加浦4电压后,由感应双折射,沿x方向振动的线偏振光进入晶体后将变为沿x'及沿y'方向振动的二个线偏振光,通过晶体后成为圆偏振光,再经反射镜反射,该圆偏振光再次通过晶体那么位相再次增加兀/2,圆偏振光又成为一线偏振光.不过它的振动方向为y方向,与原入射光振动方向垂直.也就是说,加了浦4电压后,往返通过晶体的线偏振光,振动方向相对改变90口角.对于未加电压的晶体来说,往返光的振动方向不变.利用这一点可以制成Q开关.由于激光器发出的激光无偏振性,它通过偏振片后成为沿

13、x方向振动的线偏振光.往返通过加4电压的KD*P晶体,那么返回光沿y方向振动将被偏振片吸收.此时腔的Q值很低,由于外界鼓励能源的作用,可使介质中能级的粒子数迅速增加,当其能级粒子数积累到足够数量的某个时刻忽然撤去KD*P上的电压,那么由YAG输出的激光经偏振片后能自由往返于激光腔中,不改变振动方向.损耗小,因此腔的Q值很高,从而输出一个巨脉冲.第五章习题6328?,10Km处1、计算腔长为1m的共焦腔基横模的远场发散角,设波长为光斑面积多大共焦腔束腰：0=.L0.32mm2二远场发散角：e=&6.3x10-4弧度二.010Km处光斑半径:,Z、2-01(2):6.3m:二,'0

14、光斑面积：S=ttr2125m22、一高斯光束腰粗S0=0.2mm,入=0.6328仙m今用一焦距3cm的短焦距透镜聚焦,腰粗初离透镜的距离为60cm,求聚焦后光束腰粗.入射光在透镜处的光斑半径：,'Z2=01(2):0.64mm,二0聚焦后束腰半径:f0=0.01mmn83、如图,二透镜焦距分别为f1=2.5cm,f2=20cm,80=0.28mm,Z1>>f1入射透镜紧靠共焦腔输出镜面,求该望远镜系统光束发散角的压缩比.图略解：入射透镜处光斑半径；«=/2®0%0.4mmf一sf1,0发散角的压缩比：M.=8-11.4第五章激光应用1、激光切割时加喷

15、高压气流的作用是什么一定压力13个大气压的气流氧气或空气与热金属发生强烈的放热反响,提供了局部能量,使切割速度显著提升.有辅助切割的作用并能保护光束系统不被汽化的材料所污染.2、激光打孔时,单次打孔一般用在什么情况下单脉冲打孔存在着一些问题不好解决,例如液态材料未被喷出,出现再凝固问题就不好解决,因此单脉冲打孔仅用在薄板零件上打盲孔,其它情况均采用多脉冲打孔.3、激光焊接与激光切割、打孔有什么不同影响激光焊接的因素有哪些与切割打孔不同,焊接只需将材料熔化即可.因而必须严格限制能量输出,升温限制在熔化与蒸发之间,只有这样才能到达高质量的焊接效果.影响激光焊接的因素有光功率密度、作用时间、材料性质

16、、焊接方式等.4、激光动平衡去重法有哪两种它们各有什么特点激光动平衡去重有两类.1.按偏重量去重平衡,2.定量去重平衡.按偏重量去重平衡是检测出偏重量,自动给出一幅值信号,限制激光输出能量,以除去相应的重量.定量去重平衡不需要电路反响系统,不管偏重大或偏重小,每次输出激光能量都是一定的,因而每次去重量也是一定的.5、激光热处理有什么特点激光热处理可以分为哪几种激光热处理具有以下优点：1、由于激光功率密度高,加热速度极快,冷却速度也快,可以自行冷却,因而热影响区小,工件变形小,处理后不需修整.2、由于光束传递移动方便,可以对形状复杂的零件或零件的某一部份进行处理,如盲孔底、深孔内壁、凹槽等,也可

17、以根据需要在同一零件的不同部位进行不同的处理.3 .由于加热速度极快,即到达了外表改性的目的,又不影响材料内部原有的性能.即提升了外表硬度和耐磨性,又保持材料内部韧性.4 .由于处理后变形小,不破坏工件外表原有光洁度.激光热处理中应用较多的是外表强化,相变硬化和激光外表合金化、激光涂敷等.6、激光脉冲测距仪对光脉冲的要求有哪些测距仪对光脉冲的要求 光脉冲应有足够的强度防止反射回来的光太弱 光脉冲方向性要好.一是为了能量集中,能测很远,二是希望能准确的判明方位.3光脉冲单色性要好.为防止杂散光的影响,加了滤光片,光脉冲单色性好的话,滤光效果更佳.能有效提升信噪比.光脉冲宽度要窄.由于光速非常高,

18、距离不太大的话,往返时间很短.假设脉冲宽度较大,即发射时间较长的话,有可能使发射光与反射回来的光重叠,这样就无法测量,因此光脉冲宽度一定要窄,可通过调Q技术解决这一问题.7、位相测距仪的工作原理是什么位相测距是测定连续的调制激光在待测距离d上往返的位相差小来间接测量传播时间t的.我们知道光波在传播过程中位相是不断变化的,每传播波长九的一段距离,位相就变化2n.所以距离d、光波往返位相差*和光波波长九之间的关系为：2d=九4/2冗小：往返d一次位相变化或d=/2?/2二1这里,儿/2相当于测尺长Ls,*/2n相当于d内包括测尺长Ls的数目.假设令*=2nN+其中N为正整数,巾是小中缺乏2冗的尾数,并考虑到Ls=九/2,1式改写为d=Ls?e/2n=Ls?N+,力/2n28、画出激光干预测长仪简化光路,并解释其工作原理.图略工作原理如下：由He-Ne激光器发出的光经半透半反镜P后被分成两束,一束经固定反射镜M1反射回来,另一束经可动反射镜M2反射回来,两束光经过P后集合产生干预.光束1的光程不变,而光束2的光程那么随着平台一起移动的M