激光原理試題

1、激光原理及應(yīng)用期末試題（A卷答案）一、簡答題1. 激光器的基本結(jié)構(gòu)包括三個部分，簡述這三個部分答：激光工作物質(zhì)、激勵能源（泵浦）和光學(xué)諧振腔；2. 物質(zhì)的粒子躍遷分輻射躍遷和非輻射躍遷，簡述這兩種躍遷的區(qū)別。答：粒子能級之間的躍遷為輻射躍遷，輻射躍遷必須滿足躍遷定則；非輻射 躍遷表示在不同的能級之間躍遷時并不伴隨光子的發(fā)射或吸收，而是把多余 的能量傳給了別的原子或吸收別的原子傳給他的能量。3. 激光譜線加寬分為均勻加寬和非均勻加寬，簡述這兩種加寬的產(chǎn)生機(jī)理、譜線的基本線型。答：如果引起加寬的物理因數(shù)對每一個原子都是等同的，則這種加寬稱為均 勻加寬。自然加寬、碰撞加寬及晶格振動加寬均屬均勻加寬類

2、型。非均勻加寬是原子體系中每一個原子只對譜線內(nèi)與它的表觀中心頻率相應(yīng) 的部分有貢獻(xiàn)。多普勒加寬和固體晶格缺陷屬于非均勻加寬。4. 簡述均勻加寬的模式競爭答：在均勻加寬的激光器中，開始時幾個滿足閾值條件的縱模在振蕩過程中 相互競爭，結(jié)果總是靠近中心頻率的一個縱模獲勝，形成穩(wěn)定的振蕩，其他 的縱模都被抑制而熄滅。這種情況叫模式競爭。5. 工業(yè)上的激光器主要有哪些應(yīng)用？為什么要用激光器？答：焊接、切割、打孔、表面處理等等。工業(yè)上應(yīng)用激光器主要將激光做熱 源，禾U用激光的方向性好，能量集中的特點。6. 說出三種氣體激光器的名稱，并指出每一種激光器發(fā)出典型光的波長和顏 色。答：He-Ne激光器，632.

3、8nm （紅光），A葉激光器，514.5nm （綠光），CO激 光器，10.6卩m （紅外）7. 全息照相是利用激光的什么特性的照相方法？全息照相與普通照相相比有什么特點？答：全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三維成像，記錄的是物 體的相位。、證明題：（每題6分，共18 分）1.證明：由黑體輻射普朗克公式8 h 31c3 匕CeKT -1A218 - h 3,B蘆=n h導(dǎo)出愛因斯坦基本關(guān)系式:B21c三、計算題1 由兩個凹面鏡組成的球面腔，如圖。凹面鏡的曲率半徑分別為2m 3m腔長為1m 發(fā)光波長600nm（1）求出等價共焦腔的焦距f;束腰大小W0及束腰位置；（2）求出距左側(cè)凹面鏡向

4、右3.333米處的束腰大小w及波面曲率半徑R; 解：（0） 激光腔穩(wěn)定條件(1-自討)231=3此腔為穩(wěn)定腔。r2 LR-L R2-L R 民-L 12-13-12 3-12於 L 一 RL 一 R2得，f = 1.06066L R2 -L_乙-0.667(LR )+(L R2 )。一引 + 口一3)m-JJ-2 一313-1即束腰位置距R1左側(cè)0.667m處嚇麗 WS -1 600 10 ；0.4370 10 m 3.1415926距左側(cè)凹面鏡向右3.333米處，經(jīng)計算為距束腰4米處。z74370 10142十忙mV U丿=1 -14417m = 4.25mR(z)= f j +3氦氖激光器

5、中Nd能級2S-2P4的譜線為1.1523卩m這條譜線的自發(fā)輻射幾 率 A為 6.54 X 106s-1 秒,溫度 T = 400K; M =112;(1) 均勻線寬A(2) 多普勒線寬分析在氣體激光器中，哪種線寬占優(yōu)勢1 A 6.54 10661.0408 10 s 2二2 二Hz放電管氣壓P 260帕；碰撞系數(shù)a 700KHZ帕；激光 試求：v HA v DVN解 : (1)自然加寬：38碰撞加寬： P =700 1026 820 10 Hz6 8 8均勻加寬： 八 H = n l =1.0408 101.820 10 =1.830 10 Hz(2)多普勒線寬：1-D =7.16 100M

6、14308400 8= 7.16 1063.52281 1081.1523勺01112 丿Hz根據(jù)上述結(jié)論，該激光器多普勒線寬占優(yōu)勢4 .紅寶石激光器中，Cr3+粒子數(shù)密度差 發(fā)輻射壽命t s = 3 X 10-3s,折射率n 簡并度為1。試求（1）該激光器自發(fā)輻射系數(shù)16 a n = 6X 10 /cm ,波長入=694.3nm,自1.76。僅考慮自然加寬效果，上下能級A21;線型峰值g 5 ;中心頻率處小信號增益系數(shù)g0 ; 中心頻率處飽和增益系數(shù)g陽二丄二亠ss 3 102_3gN -q4 s = 12 10（3）中心頻率處小信號增益系數(shù)823Q 2Q A U2A21、6一016“06(

7、38) O氣694.30 ) 1Qg n g . Q =6 10102 12108冋0耳8漢3漢(3=108 )漢 1.769= 2.6155 10中心頻率處飽和增益系數(shù)g是小信號增益系數(shù)的一半為：1.3078 X 1095. 一束A葉高斯激光束，束腰半徑為0.41mm束腰位置恰好在凸透鏡前表面上， 激光輸出功率為400w （指有效截面內(nèi)的功率），透鏡焦距為10mm計算A葉激光 束經(jīng)透鏡聚焦后，焦點處光斑有效截面內(nèi)的平均功率密度。（A葉激光波長514.5 nm）解：透鏡前的q1參數(shù)為2qif 亠“二 23.14159260.41 1091.0264i ： i514.5 10q2Aq B應(yīng)用AB

8、CD定理求出q2束腰位置為q2的虛部，得tr00010110 10“q2o = 0.0001求得4 - q2Q514.5 Q.QQQ1 九637710,二 i 3.1415926C W400227774.5592w/m功率密度為二2。 3.1415926 0.016377一、問答題（本題 25 分，每小題 5 分）1、簡述激光的時間相干性。2、簡述受激輻射與受激散射的異同。3、說明橫模與縱模的特點。4、調(diào)Q的基本原理以及光纖激光器中常用的調(diào) Q方式有哪些？請說明。5、簡述激光調(diào)制以及常用的方法。二、計算題（本題 30 分，每小題 10 分）1、已知采用980nm的光源泵浦，丫+離子的發(fā)射截面 cp=2X 10-20c, 上能級壽 命為1ms有效截面為15卩m,估算YDFA的泵浦強(qiáng)度閾值和泵浦功率閾值。2、考慮He-Ne激光器，入=633nm多普勒展寬的增益線寬為 Av o =1.7 X 109Hz, 假設(shè)腔長50cm求解封閉和開放式諧振腔的模式數(shù)目（封閉時假定諧振腔側(cè)面 被一個直徑3mm的圓柱包圍）3、計算腔鏡功率反射率分別為 R1=0.99 ,艮=0.5，單程損耗為10%勺諧振腔內(nèi)的 Q因子和激光線寬