信息光電子試題

1、1、光子態(tài) ：光子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)簡(jiǎn)稱(chēng)光子態(tài)2、光子簡(jiǎn)并度： 處于同一光子態(tài)的平均原子數(shù)目稱(chēng)為光場(chǎng)的光子簡(jiǎn)并 度。3、多普勒加寬 ：多普勒加寬是一種重要的非均勻加寬，其加寬機(jī)制是 由于光學(xué)多普勒效應(yīng)，即多普勒頻移影響頻率分布，最終產(chǎn)生光譜線(xiàn)的多 普勒加寬4、模式競(jìng)爭(zhēng) ：在激光器中各模間呈現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)反轉(zhuǎn)原子使優(yōu)勢(shì)模光強(qiáng)更大， 其他模式光強(qiáng)減小甚至增益小于損耗而停止振蕩。5、頻率牽引： 由放大器原子相移所引起的激光器振蕩模頻率比無(wú)源腔模頻率 更向中心頻率靠攏的現(xiàn)象，稱(chēng)為激光器頻率牽引效應(yīng)。6、自發(fā)輻射：處于高能級(jí)的原子在沒(méi)有任何外場(chǎng)的情況下可自發(fā)的躍遷到低能 級(jí)，發(fā)出一個(gè)能量為 h 的光子，這種光發(fā)射叫做自

2、發(fā)輻射。7、受激輻射：處于高能級(jí)的原子在特定能量外來(lái)電子的激勵(lì)下從高能級(jí)躍遷到 低能級(jí)，同時(shí)釋放一個(gè)與外來(lái)光子處于同一光子態(tài)的光子。8、受激吸收：處于低能級(jí)的原子在外來(lái)光子的激勵(lì)下，吸收一個(gè)光子并躍遷到 高能級(jí)上的過(guò)程叫做受激吸收。9、聲光效應(yīng)：光波經(jīng)過(guò)具有超聲場(chǎng)作用的介質(zhì)時(shí)被衍射的現(xiàn)象就是聲光效應(yīng)。10、電光效應(yīng)： 在外加電場(chǎng)的作用下， 本來(lái)是各向同性的介質(zhì)也可以產(chǎn)生雙折射 現(xiàn)象，而本來(lái)有雙折射性質(zhì)的晶體， 其雙折射性質(zhì)也要發(fā)生改變， 這是電光效應(yīng)。二、簡(jiǎn)答1、何為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布？通常為什么要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分 布？答：物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)時(shí)， 高低能級(jí)之間要滿(mǎn)足 n2 n1 g2 0 的狀態(tài)

3、稱(chēng)之為粒子數(shù)反 g1轉(zhuǎn)分布。當(dāng)光通過(guò)介質(zhì)時(shí)， 在共振作用下， 必然同時(shí)存在受激吸收和受激輻射這兩個(gè)相反的過(guò)程， 前者使入射光減弱， 后者使入射光加強(qiáng)。 要使介質(zhì)對(duì)入射光產(chǎn)生光放大作用， 必須是受激輻 射 躍 遷 的 速 率 大 于 受 激 吸 收 的 躍 遷 速 率 。 這 就 必 須 使 的 (dn21 )st (dn12 )st ； dt st dt stB21g1g 2n2w21 n1w12 ，即 n2B21n1B12 ；又由于 211 ;所以 n2 n1 2 0。2 21 1 12 2 21 1 12B12g 22 1 g12、簡(jiǎn)述均勻加寬激光器中的模式競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程？答：在均勻加寬激光器中

4、， 如果多個(gè)縱模都滿(mǎn)足增益條件， 那么開(kāi)始時(shí)都可通過(guò)受激輻射使 的光子數(shù)增加， 從而使光強(qiáng)增大；但隨著光強(qiáng)的增加，出現(xiàn)增益飽和， 增益曲線(xiàn)均勻飽和下 降，于是使的偏離中心頻率較遠(yuǎn)的模由于增益小于損耗停止振蕩， 最后只留下離中心頻率最 近的模形成穩(wěn)定振蕩。3、敘述激光器的縱模、橫模的定義及形成機(jī)理？ 答：縱模：電磁場(chǎng)在光的傳播方向上按照空間周期波長(zhǎng) 的場(chǎng)分布； 橫模：電磁場(chǎng)在垂直光的傳播方向的橫截面上的場(chǎng)分布。 縱模的形成機(jī)制為光波往返振蕩一次干涉加強(qiáng)形成。橫模的形成機(jī)制為光波在腔內(nèi)往返多次傳播后， 在垂直光的傳播方向上的振幅和相位形成穩(wěn) 定的空間分布。4、四能級(jí)和三能級(jí)泵浦系統(tǒng)相比有什么優(yōu)點(diǎn)？

5、為什么？ 答：四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)原子集居數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布，因?yàn)樗哪芗?jí)中： E1 E0有大的無(wú)輻射躍遷幾率，可近似的認(rèn)為E1是一個(gè)空能級(jí)，產(chǎn)生激光的是 E1 E2 能級(jí)。而在三能級(jí)中，產(chǎn)生激光的也是 E1 E2 能級(jí)，但 E1 是基態(tài)，比較穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)上能級(jí)與一 個(gè)空能級(jí)反轉(zhuǎn)畢竟要比一個(gè)相當(dāng)滿(mǎn)是我基態(tài)能級(jí)間的反轉(zhuǎn)分布來(lái)的容易。5、何謂增益飽和？均勻加寬增益飽和與非均勻加寬增益飽和的 基本特性是什么？答：當(dāng)入射光的光強(qiáng)增大到一定程度以后， 增益系數(shù)隨光強(qiáng)的增大而減小， 這種現(xiàn)象叫增益 飽和。均勻加寬增益飽和效應(yīng)表現(xiàn)為：整個(gè)增益曲線(xiàn)均勻下降。非均勻加寬增益飽和效應(yīng)表現(xiàn)為： 0 = 1 的那

6、些原子出現(xiàn)增益飽和， 其他原子可幾乎不與入射光子相互作用并維持未飽和狀態(tài)，則會(huì)出現(xiàn)增益曲線(xiàn)“燒孔”效應(yīng)。6、產(chǎn)生多普勒加寬的機(jī)制是什么？答：多普勒加寬是一種重要的非均勻加寬， 其加寬的機(jī)制是由于光學(xué)多普勒效應(yīng)， 即多普勒 頻移影響頻率的分布，最終產(chǎn)生光譜線(xiàn)的多普勒加寬。7、簡(jiǎn)述調(diào) Q 激光器的基本原理？答： Q開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，激光器處于高腔損耗低 Q 值狀態(tài)，因?yàn)橹C振腔損耗大于增益，激光振 蕩不能形成，其間低能級(jí)的原子不斷被泵浦到高能級(jí)，高能級(jí)上的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)目密度增加； 當(dāng) Q 開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，腔損耗減小，振蕩閾值降低，激光器處于低腔損耗高Q 值狀態(tài)，激光器快速在腔內(nèi)建立起激光振蕩。 處于高能級(jí)的原子

7、在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)受激輻射躍遷到低能級(jí)， 原 系統(tǒng)中的大量能量被釋放，激光器輸出一個(gè)巨脈沖。8、簡(jiǎn)述鎖模的基本原理？ 答：鎖模就是將相位鎖定， 不同的多個(gè)縱模之間相位鎖定時(shí)， 具有確定相位差的縱模之間相 互疊加輸出一系列時(shí)間間隔一定的脈沖。9、試說(shuō)明從小信號(hào)開(kāi)始到形成連續(xù)穩(wěn)定激光輸出的物理過(guò)程10、激光器的泵浦都有哪幾種？ 答：電激勵(lì)激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、熱能泵浦激光器、化學(xué)激光器 三、計(jì)算題。1.有一 Nd:YAG 激光器，振蕩線(xiàn)寬（熒光譜線(xiàn)中能產(chǎn)生激光振蕩的范圍） os=1.2 × 1101Hz，腔長(zhǎng) L =0.5m，折射率 1，計(jì)算如下參數(shù)： （ 1） 相鄰縱模頻率

8、間隔多大？（ 2） 振蕩線(xiàn)寬內(nèi)可以容納多少個(gè)縱模？（ 3） 假設(shè)各縱模振幅相等，求鎖模后脈沖的周期和寬度？（ 4） 鎖模后激光脈沖功率為自由振蕩時(shí)功率的多少倍？答： (1) q 2cL3 10 82 1 0. 583 10 hz(2)M os 1.2 10 11q 3 10 8400(3)T113 10 83.3 10 91 111.2 10 11 os（4）鎖模后激光脈沖功率為自由振蕩功率的 400 倍2、對(duì)脈沖能量為 5mJ，脈寬為 5fs 的激光脈沖，若通過(guò)短焦距透鏡聚焦使其焦斑 直徑為 0.001mm(1)，計(jì)算其瞬時(shí)功率及瞬時(shí)功率密度 .答：瞬時(shí)功率：瞬時(shí)功率密度：E 12P=101

9、2 J /stP2 1.27 1024J /s m2 r3、基模高斯光束場(chǎng)的復(fù)振幅為u(x, y,z) C00 exp(z)r 2 exp22 (z)ikz2Rr(2z)(z)其中2(z)02 1 z 、z0R(z) z 1 z0、 (z) arctan( z ) 、z0z020 ，C0 為常數(shù)。1)描述 (z)、 0 、R(z)、z0 各自的物理意義。2)若已知高斯光束 =10.6 m、 0=1.14mm ，求與光腰相距 10m 處的光斑半徑和波前曲 率半徑？1(3) 證明基模高斯光束在光強(qiáng)減至 2 點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角(全角)為e1/e2 2 0 ；并且當(dāng)nm 、 0=1mm 時(shí)，試計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散

10、角的大小。答：( 1) (z)表示場(chǎng)振幅減至中心值的 1/e 的點(diǎn)所定義的光斑半徑； 的束腰半徑； R(z)為高斯光束等相位面的曲率半徑；z0表示當(dāng)光斑半徑0 表示基模高斯光束(z0)=20.5 0 時(shí)距束腰的距離，也稱(chēng)瑞利距離。2)2z00 0.385m(z) 02.96cmR z z13) 1/e2z02z0z 10.015mz22w zzlim zzlim2w0 1 zz012w0zlim 2w0. z0 zlim w02 22w0w01/e2 =2=4.03 10-41/e w014 94. HeNe激光器的中心頻率 0 4. 74×1014Hz，熒光線(xiàn)寬1.5 l09Hz。今腔長(zhǎng) Llm，問(wèn)可能輸出的縱模數(shù)為若干？為獲得單縱模輸出，腔長(zhǎng)最長(zhǎng)為多少？c 3 108q 1.5 108 109 8 1.5 109 答： q 1.5 10 Hz ， n2 L 2 1 1即可能輸出的縱模數(shù)為 10 個(gè)，要想獲得單縱模輸出，則：2qc 3 1089 0.2m1.5 109故腔長(zhǎng)最長(zhǎng)不得大于 0.2m 。5、KDP晶體， l=3cm。在波長(zhǎng) =0.5m 時(shí)，no=1.51，ne=1.47