激光原理試題_知識(shí)點(diǎn)考必背

1、 激光原理課程考試題 一、填空題:(30分1. 通常三能級(jí)激光器的泵浦閾值比四能級(jí)激光器泵浦閾值高。3. 紅寶石激光器屬于 3 能級(jí)激光器。He-Ne激光器屬于4 能級(jí)激光器。4. 激光具有四大特性,即單色性好、亮度高、方向性好和相干性好。5. 激光器穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),腔內(nèi)增益系數(shù)為閾值增益系數(shù),此時(shí)腔內(nèi)損耗激光光子的速率和生成激光的光子速率相等。6. 激光器的基本組成部分激活物質(zhì)、激光諧振腔、泵浦源。激光產(chǎn)生條件:1.有提供放大作用的增益介質(zhì)為激光工作物質(zhì),其激活粒子有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu);2.體育外界激勵(lì)源,將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí),使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn);3.有光學(xué)諧振腔,

2、增長(zhǎng)激活介質(zhì)的工作長(zhǎng)度,控制光束的傳播方向,選擇被放大的受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)。其中光學(xué)諧振腔的作用為:提高光的方向性、加長(zhǎng)光在增益介質(zhì)中行進(jìn)的路徑以提高光能密度、形成共振產(chǎn)生的模提高相干性(或者填模式選擇、提高軸向光波模的反饋。7. 調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生激光脈沖主要有鎖模、調(diào)Q 兩種方法,調(diào)Q激光器通?？色@得ns量級(jí)短脈沖,鎖模有主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模兩種鎖模方式。8.固體激光器主要的泵浦源有(氪燈泵浦、(高效脈沖氙燈泵浦等。9.具有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷特性(或者填亞穩(wěn)態(tài)的原子結(jié)構(gòu),才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。10.產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)包括(激活離子和(基質(zhì)。11.引起譜線增寬的原因主要有三種,即自然展寬、碰撞展寬、

3、多普勒展寬;它們可分為兩大類,分別是均勻展寬、非均勻展寬。12.受激輻射激勵(lì)發(fā)射出的光子與外來光完全相同,即傳播方向相同,相位相同,偏振態(tài)相同,頻率相同。13.愛因斯坦提出的輻射場(chǎng)與物質(zhì)原子相互作用主要有三個(gè)過程,分別是:自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射。14.CO2激光器中,含有氮?dú)夂秃?氮?dú)獾淖饔檬翘岣呒す馍夏芗?jí)的激光效率,氦氣的作用的是有助于激光下能級(jí)的抽空。15.有源腔中,由于增益介質(zhì)的色散,使縱模頻率與無源腔頻率縱模頻率更接近中心頻率,這種現(xiàn)象叫做頻率牽引。16.激光的線寬極限是由于自發(fā)輻射的存在而產(chǎn)生的,因而無法消除。17.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)微觀粒子滿足負(fù)溫度分布。18.碰撞增寬譜線

4、為洛倫茲線型。自然加寬是由于激發(fā)態(tài)有一定的壽命引起的。多普勒展寬發(fā)生在氣體介質(zhì)中。19.第一臺(tái)激光器是紅寶石激光器。20.平行平面腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為(1,1。對(duì)稱共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為(-1,-1。半共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為(0,1,(1,0。21.諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q是用來衡量腔的儲(chǔ)存信號(hào)的能力。閾值條件是形成激光的充分必要條件。22.光子簡(jiǎn)并度指光子處于一個(gè)光子態(tài)的平均光子數(shù)、處于同一模式的光子數(shù)、相干體積內(nèi)偏振一樣的光子數(shù)、處于同一相格中的偏振一樣的光子數(shù)。23.腔模經(jīng)一次往返再現(xiàn)后保持原來的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布稱為自再現(xiàn)模。24.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

5、的相位。二、問答題:(70分1.畫出聲光調(diào)Q 激光器原理圖,說明聲光調(diào)Q 基本原理?(10分答:首先Q 開關(guān)關(guān)閉, 腔內(nèi)聲光晶體衍射產(chǎn)生的損耗高,腔內(nèi)Q 值低, 激光振蕩閾值高,激光不振蕩,上能級(jí)聚集大量反轉(zhuǎn)粒子:Q 開關(guān)迅速開啟,腔內(nèi)損耗迅速下降,Q 值急劇升高,閾值迅速下降,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)遠(yuǎn)大于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù),上能級(jí)聚集大量反轉(zhuǎn)粒子變?yōu)榉逯倒β屎芨叩募す饷}沖。2. 畫出電光調(diào)Q 激光器原理圖,說明電光調(diào)Q 基本原理? 答.電光晶體兩端加一定電壓,使沿x 方向的偏振光通過電光晶體后,沿x 軸兩方向偏振光的位相差為/2,電光晶體相當(dāng)于1/4波片,光束兩次通過電光晶體時(shí),偏振方向旋轉(zhuǎn)90,偏振方向與

6、偏振片檢偏方向垂直,光束無法通過檢偏片,腔內(nèi)損耗高,激光無法振蕩;突然撤除電壓后,損耗迅速下降,上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)迅速轉(zhuǎn)化為激光脈沖輸出。3.什么是對(duì)成共焦腔,計(jì)算對(duì)成共焦腔g 參數(shù).:答: 對(duì)成共焦腔:R 1=R 2=L對(duì)成共焦腔g 參數(shù).:0111=-=R Lg 0212=-=R L g021=g g g4.說明均勻增寬和非均勻增寬的區(qū)別?說明為什么均勻增寬介質(zhì)內(nèi)存在模式競(jìng)爭(zhēng)?(10分答:均勻增寬介質(zhì)內(nèi)每一個(gè)原子對(duì)譜線內(nèi)任一頻率光波都有相同的貢獻(xiàn), 所有原子對(duì)發(fā)射譜線上每一頻率的光波都有相同貢獻(xiàn),所有原子的作用相同;非均勻增寬介質(zhì)發(fā)射的不同的光譜頻率對(duì)應(yīng)于不同的原子,不同的原子對(duì)中譜線中的不

7、同頻率有貢獻(xiàn),不同原子的作用不同的(5分。均勻增寬激光介質(zhì)發(fā)射譜線為洛侖茲線型,中心頻率處譜線增益最大,該頻率處附近縱模優(yōu)先起振,由于均勻增寬介質(zhì)內(nèi)每一個(gè)原子對(duì)譜線內(nèi)任一頻率光波都有相同的貢獻(xiàn),中心頻率處縱模振蕩發(fā)射激光將引起激光上能級(jí)原子數(shù)下降,激光增益曲線形狀不變,但整體下降,當(dāng)中心頻率處縱模增益降低為激光振蕩閾值時(shí),該處縱模穩(wěn)定輸出,其它頻率的縱模增益都小于閾值,無法振蕩。5.畫出電光強(qiáng)度調(diào)制原理圖,說明電光強(qiáng)度調(diào)制基本原理?(10分 答:電光調(diào)制器是利用某些晶體材料在外加電場(chǎng)的作用下所產(chǎn)生的電光效應(yīng)而制成的器件。常用的有兩種方式:一種是加在晶體上的電場(chǎng)方向與通光方向平行,稱縱向電光效應(yīng)

8、(也稱為縱向運(yùn)用;另一種是通光方向與所加電場(chǎng)方向相垂直,稱橫向電光效應(yīng)(也稱為橫向運(yùn)用?？v向調(diào)制與橫向調(diào)制優(yōu)缺點(diǎn)縱向電光調(diào)制優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作穩(wěn)定,無自然雙折射的影響,不需進(jìn)行補(bǔ)償。其缺點(diǎn)是半波電壓太高,功率損耗較大。一般橫向調(diào)制器橫向運(yùn)用時(shí)其半波電壓要低于縱向運(yùn)用 ,但由于存在著自然雙折射引起的相位延遲,且隨溫度的漂移而改變,往往使已調(diào)波發(fā)生畸變,常采用“組合調(diào)制器”來進(jìn)行補(bǔ)償。6.試畫圖并文字?jǐn)⑹瞿Ｊ礁?jìng)爭(zhēng)過程。答:假設(shè)只有q-1,q ,q+1三個(gè)縱模滿足振蕩 條件,這三個(gè)縱模的光均有增益,光強(qiáng)都在增強(qiáng),整個(gè)增益曲線由小信號(hào)增益曲線G (v 開始下降。當(dāng)降到曲線1時(shí),對(duì)q+1模來說,增益已

9、經(jīng)變得比G 閾低。這樣當(dāng)下降到曲線2,q-1模也被抑制掉,只有q 模的光強(qiáng)繼續(xù)增強(qiáng),最后變成曲線3的情形。這種通過增益飽和效應(yīng),靠近譜線中心頻率的縱模逐漸把其它縱模抑制掉的過程就是模式競(jìng)爭(zhēng)。7.為什么一般來說均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器的輸出通常是單縱模的,而非均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器輸出通常是多個(gè)縱模?答:(1對(duì)于均勻增寬型介質(zhì)激光器來說,每個(gè)發(fā)光粒子對(duì)形成整個(gè)譜線都有貢獻(xiàn)。當(dāng)強(qiáng)度很大的光通過時(shí),它會(huì)造成整個(gè)增益曲線按同一比例下降,通過增益的飽和效應(yīng)模式之間會(huì)造成譜線競(jìng)爭(zhēng),最終只剩下與中心頻率靠的很近的那個(gè)模式,所以是單縱模的。(2對(duì)于非均勻增寬型介質(zhì)激光器來說,某一個(gè)縱模的光強(qiáng)增強(qiáng)時(shí),增益的飽和效

10、應(yīng)并不引起整個(gè)增益曲線下降,而是在該縱模對(duì)應(yīng)的頻率處燒一個(gè)孔,所以如果有多個(gè)縱模的小信號(hào)增益都大于閾值都大于閾值的話,這些縱模都可以建立起自己的振蕩,所以非均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器輸出通常是多個(gè)縱模。8.腔長(zhǎng)為0.5m 的氬離子激光器,發(fā)射中心頻率0=5.85l014Hz ,熒光線寬=6l08 Hz ,問它可能存在幾個(gè)縱模?相應(yīng)的q 值為多少? (設(shè)=1 (9分解:縱模間隔為:Hz L cq 881035.0121032=, 210310688=q n ,則可能存在的縱模數(shù)有三個(gè),它們對(duì)應(yīng)的q 值分別為: 68141095.11031085.522=c L q L qc ,q +1=195000

11、1,q -1=1949999 9.由凸面鏡和凹面鏡組成的球面腔,如圖。凸面鏡的曲率半徑為2m ,凹面鏡的曲率半徑為3m ,腔長(zhǎng)為1.5m 。發(fā)光波長(zhǎng)600nm 。(1判斷此腔的穩(wěn)定性;(2求出等價(jià)共焦腔的焦距f ;束腰 大小w 0及束腰位置; (3求出距凸面鏡右側(cè)5.125米處的束腰大小w 及波面曲率半徑R ;解: (1 激光腔穩(wěn)定條件 12(1(11.5 1.5(1(12378L L R R -=+-=此腔為穩(wěn)定腔。(2 (121222212 1.52 1.53 1.523 1.50.98441.52 1.53L R L R L R R L f L R L R -+-+-=-+-+-得, f

12、 = 0. 99221m (2112 1.53 1.5 1.1251.52 1.53L R L z L R L R -=-+-+-m 即束腰位置距R 1 右側(cè)1.125m 300.437010w m -= (3 距凸透鏡右側(cè)5.125米處,經(jīng)計(jì)算為距束腰4米處。( 330.437010 1.810m -=w z w (41171 4.25144z f R z f m m f z =+=+= 10.已知W 0,L,F 。求通過透鏡后,Wc ,Rc 。 答:由ABCD 公式,q b R e q l b ,I m 0q w b 0z = 0q i f = 02w f =A 處 0a q q l =+

13、B 處 111a b q q f =-C 處 c b c q q l =+先求0,c c w q w (q 的定義211zR z z i q w =- 11.He Ne 激光器的中心頻率0=4.741014Hz ,熒光線寬=1.5l09Hz 。今腔長(zhǎng)L =lm ,問可能輸出的縱模數(shù)為若干?為獲得單縱模輸出,腔長(zhǎng)最長(zhǎng)為多少? 答:Hz L cq 88105.11121032=,10105.1105.189=q n 即可能輸出的縱模數(shù)為10個(gè),要想獲得單縱模輸出,則:m c L L c q 2.0105.1103298=,并使鏡面上的光斑尺寸s w =0.3cm ,問此時(shí)鏡的曲率半徑和腔中心光斑尺

14、寸多大?答:(1鏡面光斑尺寸(此時(shí)可把它看作對(duì)稱共焦腔: mm L s s 5977.22106.10621=- (2此時(shí)不能當(dāng)作對(duì)稱共焦腔,但是仍然是對(duì)稱光學(xué)諧振腔,只是L R R R =21,根據(jù)(3-50式可得鏡面光斑尺寸為(舍去一個(gè)與L 近似相等的解:lL R 2 ( R - L ) 4 ws = p L(R - L )(2 R - L lL R2 R2 4 = = 2.5977 4 = 3 R 5.91m p L( 2 R - L 2 (2 R - 2 1 1 1 l L(R1 - L )(R2 - L )(R1 + R2 - L ) l L(2 R - L ) w0 = = 4 (

15、R1 + R2 - 2 L )2 p p （3） 2 2 1 4 1 4 = ( 10 .6 10 -6 p 2 (2 5.911 - 2 4 = 2.734 mm 4 1 2 14.請(qǐng)簡(jiǎn)單比較常見的激光器（工作物質(zhì)、能級(jí)特點(diǎn)、激勵(lì)方式、應(yīng)用范圍） 。 答： （1）固體激光器：工作物質(zhì)：摻雜離子的絕緣晶體或玻璃； 泵浦方式：光泵浦激勵(lì)； 特點(diǎn)：輸出能量大；峰值功率高；結(jié)構(gòu)緊湊牢固耐用； 應(yīng)用范圍：工業(yè)，國(guó)防，科研等，如焊接，全息照相，激光測(cè)距，雷達(dá)等； 分類：紅寶石激光器，釹玻璃激光器，摻釹釔鋁石榴石（YAG） 。 紅寶石激光器：它的吸收光譜特性只要取決于 Gr3+,是典型的三能級(jí)系統(tǒng)； YAG 激光器： 激活粒子是釹離子（Nd3+） ，是典型的四能級(jí)系統(tǒng)。 （2）液體激光器主要有染料激光器，工作物質(zhì)：有機(jī)染料溶液； 能及結(jié)構(gòu)：準(zhǔn)連續(xù)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)單態(tài)都對(duì)應(yīng)有一個(gè)三重態(tài)； 泵浦方式：光泵浦激勵(lì)； 優(yōu)點(diǎn)：輸出光波可調(diào)諧；激光脈沖寬度很窄；輸出功率大；光學(xué)質(zhì)量?jī)?yōu)良； 應(yīng)用范圍：光化學(xué)，光生物學(xué)，同位素分離，全息照相，光通信； （3）氣體激光器：工作物質(zhì)：氣體或者蒸氣； 泵浦方式：共振轉(zhuǎn)移; 優(yōu)點(diǎn)：輸出光束質(zhì)量好（單色性，相干性，方向性及穩(wěn)定性