激光原理复习题(含参考答案)

激光原理复习题(含参考答案)一、选择题（每题2分，共20分）1.在激光器中，光的受激辐射放大的必要条件是实现粒子数反转。实现粒子数反转的直接条件是（）A.存在亚稳态能级B.有合适的泵浦源C.存在光学正反馈D.工作物质具有均匀加宽线型答案B解析粒子数反转需要将低能级的粒子抽运到高能级，这依赖于泵浦源提供能量。亚稳态能级可以延长上能级寿命，有利于反转积累，但并非直接条件；光学正反馈用于形成振荡。2.下列关于激光横模的说法，正确的是（）A.横模反映激光沿轴向的场分布B.横模频率由谐振腔纵模间距决定C.基横模TEM_{00}的光强分布是高斯分布D.高阶横模的衍射损耗比基模小答案C解析TEM_{00}模的光强在横截面上呈高斯函数分布。横模反映横向场分布，纵模反映轴向分布；横模频率由腔长和横模阶数共同决定，高阶模衍射损耗更大。3.当谐振腔的菲涅耳数N≫A.腔镜的反射损耗B.腔内介质的吸收损耗C.衍射损耗D.散射损耗答案C解析菲涅耳数N=a24.在均匀加宽激光器中，频率为ν0A.模式竞争中的增益饱和效应B.空间烧孔效应C.频率牵引效应D.偏振选择答案A解析均匀加宽介质中，增益曲线整体饱和。当中心频率模振荡时，整个增益曲线下降，其他纵模增益低于阈值而被抑制，这称为模式竞争。5.下列哪种激光器通常不能连续输出？（）A.氦氖激光器B.红宝石激光器C.掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器D.氩离子激光器答案B解析红宝石激光器属于三能级系统，阈值高，通常以脉冲方式工作；He-Ne、Nd:YAG、氩离子激光器均可连续运转。6.调Q技术的核心目的是（）A.提高激光的相干性B.获得很窄的脉冲宽度和高峰值功率C.改变激光的输出波长D.压缩激光的线宽答案B解析调Q通过改变谐振腔的Q值（品质因数），在泵浦期间阻止激光振荡，积累反转粒子数，然后迅速打开Q开关，产生巨脉冲。7.对于高斯光束，当束腰半径ω0一定时，远场发散角θA.λB.λC.ωD.ω答案B解析远场发散角θ=λ/8.在四能级激光系统中，激光下能级通常是（）A.基态B.亚稳态C.迅速弛豫到基态的能级D.与泵浦带相同的能级答案C解析四能级系统的激光下能级不是基态，而是一个快速弛豫到基态的能级，有利于实现粒子数反转，降低阈值。9.锁模激光器输出的脉冲序列中，相邻脉冲的时间间隔等于（）A.腔长除以光速B.往返时间2C.光脉冲宽度D.泵浦脉冲周期答案B解析锁模后，输出脉冲间隔等于光在腔内往返一次的时间T=10.下列关于激光线宽的说法中，错误的是（）A.自然线宽由能级寿命决定B.碰撞加宽属于均匀加宽C.多普勒加宽属于非均匀加宽D.固体激光器中一般以多普勒加宽为主答案D解析固体激光器的工作物质中，离子被固定在基质中，其加宽机制主要是晶格振动引起的均匀加宽（如声子加宽），而不是多普勒加宽。二、填空题（每题2分，共20分）1.激光器的三个基本组成部分是______、____和______。答案工作物质、泵浦源（激励源）、谐振腔（光学谐振腔）2.受激辐射的光子与入射光子具有相同的______、____和______。答案频率（能量）、相位、偏振方向（或传播方向）3.均匀加宽介质的增益饱和表现为______饱和，非均匀加宽介质的增益饱和表现为______饱和。答案整体（或均匀）、局部（或烧孔效应）4.谐振腔的纵模频率间隔Δνq等于________（设腔长为L，介质折射率为答案c5.高斯光束的q参数定义为1/q=1/答案等相位面曲率半径、光斑半径（或束宽）6.激光器的阈值条件包括______和______。答案增益阈值（小信号增益大于总损耗）、相位条件（往返相移为2π7.在调Q激光器中，Q开关的作用是控制谐振腔的________。答案品质因数（Q值）或损耗8.典型的锁模方法有______和______两类。答案主动锁模、被动锁模9.红宝石激光器属于______能级系统，其激光波长为______nm。答案三、694.3（或694）10.半导体激光器的泵浦方式通常是________。答案电注入（或电流注入）三、简答题（每题10分，共30分）1.简述激光产生的必要条件，并说明为什么需要谐振腔。答案必要条件包括：（1）实现粒子数反转（即高能级粒子数大于低能级粒子数）；（2）满足阈值条件，即增益大于总损耗；（3）存在光学正反馈，使受激辐射不断放大。谐振腔的作用：提供轴向正反馈，使光在腔内往返多次通过激活介质，获得足够放大；同时限制振荡模式（纵模与横模），提高输出激光的方向性和单色性。2.什么是增益饱和？分别说明均匀加宽和非均匀加宽介质中增益饱和的机理，并比较其不同。答案增益饱和是指当入射光强增强时，增益系数随光强增大而下降的现象。•均匀加宽介质：由于所有粒子具有相同的中心频率和线型，增益曲线整体均匀下降。当某一频率的光强增大时，整个增益曲线按同一比例减小，不会产生“烧孔”。•非均匀加宽介质：不同粒子群的中心频率不同。当某一频率的光强增大时，只对该频率附近的速度群（频率群）的粒子产生饱和，导致增益曲线在该频率处出现局部凹陷（称为“烧孔”），其他频率的增益基本不变。主要区别：均匀加宽是整体饱和，非均匀加宽是局部饱和。3.说明激光纵模和横模的物理意义，并写出纵模频率间隔的表达式。答案纵模：是指谐振腔内沿轴向（光传播方向）形成的稳定驻波场分布，对应不同的谐振频率。纵模的频率间隔由腔长决定，Δνq=四、计算题（每题15分，共30分）1.一氦氖激光器，腔长L=1.0 m，工作物质折射率n=1.0，激光波长λ=632.8 (1)激光器能否起振？(2)计算纵模频率间隔，并估计可能同时振荡的纵模个数。答案(1)单程小信号增益为G0l=0.05×20=1.0（注意单位：0.05 cm−1×20 cm=1.0），即增益倍数为e