06~07激光原理与技术A答案

1、0607激光原理与技术A答案2006-2007学年第1学期（激光原理与技术）A卷试题答案1基本概念题(选做6小题，每题5分)301.1试就你所了解的知识，对激光器进行科学分类。按工作介质分：气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器等按工作方式分：脉冲激光器pulsedlaser、连续激光器c.wlaser固定波长输出、波长可调谐的激光器按任一方式对其进行分类均可得分，答案是多样的1.2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？激光器三个基本组成单元各自的作用描绘方式能够不一样泵浦源：提供输入能量，使粒子数反转分布0n?。增益介质：对入射光产生放大作用。光子谐振腔：选模、储能

2、，构成光振荡变激光放大器为激光振荡器。1.3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？-0=0.75?时，洛仑兹函数与高斯函数值相等；-00.75?时，洛仑兹函数大于高斯函数值。1.4三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.三能级系统与四能级系统的主要区别是：前者基态与激光下能级分享，因此阈值反转粒子数密度为n/2，而后者的激光下能级抽空速率很快，阈值反转粒子数密度近似为激光上能级的阈值反转粒子数n2t。典型的三能级系统激光器为红宝石激光器，典型四能级系统激光器为Nd:YAG激光器。1.5何谓烧孔效

3、应？何谓兰姆凹陷？烧孔效应主要指非均匀加宽介质中，由于频率1的强光入射引起的反转集居数的饱和现象。即在频率为1，光强为I1的强光作用下，使表观中心频率处在1(1+I1/Is)1/2?H/2范围内的粒子产生受激辐射，因而在?n()曲线上构成一个以1为中心，宽度约为(1+I1/Is)1/2?H的“烧孔，这种现象称为烧孔效应。均匀加宽介质的空间烧孔效应：当频率为q的强激光振荡时，它在腔内沿轴线方向的分布构成驻波场，波腹处光强最大，波节处光强最小。腔内的增益系数不同，波腹处光强大，用去的反转粒子数多，造成增益系数下降也大。波节处增益系数下降少。我们称这种反转粒子数密度或增益系数在腔内轴线上具有某种分布

4、的现象为空间烧孔效应。兰姆凹陷是指非均匀加宽介质激光器的输出功率P随频率变化曲线在中心频率0处的凹陷。即非均匀加宽工作物质，中心频率处，增益固然大，但介入光放大的粒子数少，在输出曲线上，中心频率附近功率低，构成凹陷。1.6试辨析激光振荡器、激光放大器和激光器的区别激光振荡器：能够构成一台激光器激光放大器：能够是一段增益介质激光器：能够由一个激光振荡器构成，可以由一个振荡器和一个或数个放大器构成。1.7何谓有源腔和无源腔？怎样理解激光线宽极限和频率牵引效应？有源腔与无源腔的区别在于有无增益介质工作物质，泵浦均可。激光线宽极限：激光输出中有种线宽由于自发辐射的存在而产生，因此是无法排除的，所以称它

5、为线宽极限。频率牵引效应：在有源腔中，由于增益介质的色散，使得纵模频率比无源腔纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做频率牵引效应。1.8什么是小信号增益系数？在其他条件一样情况下，小信号的增益系数对激光输出功率有什么影响？腔内光强SII时，0()g越大，输出功率越大；0()tgg是气体激光器的主要泵浦方式；典型三能级系统的特点是激光下能级为基态；对各自的优缺点的分析主观题：答案无统一标准2.2设有两束频率分别为0+和0-，光强为I1及I2的强光沿一样方向或相反方向通过中心频率为0的非均匀加宽的气体增益介质(I1I2)。(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

6、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？1两束沿一样方向入射沿Z轴正向，两束光分别烧孔：I1，10=+，在1000()/zvcc=-=处烧孔，孔深0101()SIcnII?+I2，20=-，在20/zvc=-处烧孔，孔深0202()SIcnII?-+当两束光反向通过介质时I1沿Z轴正向不变，I2沿Z轴反向，则I2与I1在同一处烧孔：220001()/zzvccv=-=，孔深为012021()()SIIcnIII+?+2有效泵浦效率的变化影响?no，因而影响孔深，即泵浦效率越大，?no越大，因此烧孔越深。气压的变化影响均匀加宽的宽度?H，因此影响孔的宽度，

7、气压升高，宽度增大。主观题：答案无统一标准2.3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。吸收截面：对于一能使介质产生共振吸收(E2-E1=h)的入射光，处在下能级E2的一个原子有效俘获该入射光的横截面积为吸收截面12。设计实验：主观题：答案无统一标准2.4试从发光机理、能量转换效率、输出特性、用处等方面将激光器与你熟悉的任一普通光源如白炽灯进行比拟分析，激光器与你熟悉的任一普通光源如白炽灯的比拟：主观题：答案无统一标准发光机理：能量转换效率：输出特性：单色性好，方向性好，相干性好/全光谱，无方向性，非相干用处：医疗、通信、武器等

8、精细仪器/照明3.计算题(选做2小题，每题20分)403.1长度为10cm的红宝石棒置于长度为22cm的光谐振腔中，红宝石694.3nm谱线的自发辐射寿命s4ms,均匀加宽线宽为2105MHz,，光腔单程损耗=0.2。求：(1)阈值反转粒子数密度?nt；(2)当光泵鼓励产生反转粒子数密度?n=1.25?nt时，有多少个纵模能够振荡(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2?1019cm-3，采用调Q技术获得T=10ns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。(1)均匀加宽介质:222722020212122223110/(6

9、94.310/1.76)10444410210HsHvAcm-?=?2cm=4.93因而20317321/0.2/(0.14.9310)4.0610tnlcmcm-?=?=?=?(2)当1.25tnn?=?时，即00002011.25()1.25()1()/2tHtggg?=?+-得到1102()0.5110osctHHz?=-=?=?纵模间隔10823105.07105.071022(12101.76)qcHzHzMHzL?=?=?+?能够起振的形式数1198oscqM?=+=?200左右即可3理想情况下激光脉冲能量193410max92101016.625610310/28.6322269

10、4.310NnlsEhchcJ-?=?=?=?=?当T=10ns时峰值功率8maxmax/28.63/102.863PETWGW-=3.2已知波长为632.8nm的He-Ne气体激光器的激光上、下能级的平均寿命近似为2?10-8s，设激光管内充气压为250Pa，饱和光强Is为15W/cm2，谐振腔腔长为60cm,(1)计算在常温下T300K多普勒展宽和均匀展宽的比值?D/?H；(2)计算腔内平均光强接近0和12W/cm2两种情况下，激光器纵模的烧孔宽度；3当腔内平均光强为12W/cm2时，谐振腔腔长需多长才使相邻纵模的烧孔重叠？计算时取压力加宽系数=0.75MHz/Pa。(1)常温下多普勒展宽

11、:877993107.16107.16101.31510632.810DHz-?=?=?=?均匀展宽:6888111()0.75102502.0310*HNPHzHz-?=?+?=+?=?所以/6.48DH?=2烧孔宽度H=I=0时，82.0310HHz=?=?I=12W/cm2，时，82.7210HHz=?3纵模间隔2qcL?=烧孔重叠时，q?由此得到腔长88310/(2)0.5522.7210Lcmm?=?3.3Anargonionlaseroperatingat488.0nmwithagain-regionlengthof0.3misdeterminedtohaveapopulation

12、densityof11016/m3inupperlaserleveland41015/m3inlowerlaserlevel.a)Ifaverylow-powerprobebeamofintensityI0istransmittedintothegainmediumthenwhatwouldbethemeasuredratioofI/I0,whereIistheoutputbeamintensityaftertraversingthemedium?a)Wewilluse0nlIIe?=todeterminetheratioofI/I0.FromQ3.3,weknown1=41015m-3,n2

13、=11016m-3andl=0.3m.Consider?no=n2n1=6x1015m-3,andI0isverylowasweknow,the21ofAr+loweris2.510-16m2.Thenwehave01211624.5100.450exp(2.510)(0.3)nlIemmeeI-?-?=?=b)Whatwouldbethesmall-signalgaincoefficientofthelaser?Thesmall-signalgaincoefficientofthelasercanbeobtainedfrom01531621(610)(2.510)1.5gmmm-=?=c)I

14、fthemirrorshavereflectivitiesof99.9%and95%andthescatteringlossesare0.5%perpass(assumenodistributedabsorptionwithinthegainmedium),whatwouldbethethresholdgainofthelaser?Fromgth=/l,weseethatweneedonlythefractionallossperpassandgainreainglengthltodeterminetheteresholdgainofthelaser.Thefractionallossperp

15、assinthiscasecanbeobtainedfrom121ln()2arr=-,wherea=0.5%,r1=99.9%andr2=95%.Herewehave110.5%ln(99.9%95%)20.1038230.3thgmm-?=d)Whatwouldbethepoweroutputfromthelaser?Theout-putofthelasercanbeobtainedfrom01/12SthpAITgg=-,whereT=1-r1=0.1%.wemustfirstdeterminethesaturationintensityIs,from02121shI=andusingthevaluesspecifiedjust,wehave3487