激光原理試卷

1、廣東工業(yè)大學(xué)考試試卷(A)課程名稱：激光原理與技術(shù)試卷滿分100分考試時(shí)間：2007年6月18日(第16周 星期 一)一、選擇題(每題3分，共30分)1 .世界上第一臺激光器是()(A)氮式激光器.(B)二氧化碳激光器.(C)被玻璃激光器.(D)紅寶石激光器.(E)神化線結(jié)型激光器.2 .按照原子的量子理論，原子可以通過自發(fā)輻射和受激輻射的方式發(fā)光，它們所產(chǎn)生的光的特點(diǎn) 是：()(A)兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光是相干的，原子受激輻射的光與入射光是不相干的.(B)兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光是不相干的，原子受激輻射的光與入射光是相干的.(C)兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光是不相干的，原子受激輻射

2、的光與入射光是不相干的.(D)兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光是相干的，原子受激輻射的光與入射光是相干的.3 .氮-式激光器屬于典型的()系統(tǒng)(A)二能級(B)三能級(C)四能級(D)多能級4 .體積V =1cm3,線寬完=10nm,中心波長60nm,模式數(shù)目為()5 .多普勒加寬發(fā)生在()介質(zhì)中6 .半共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為(d )(A) (-1,-1)(B)(0, 0)(C) (1,1)(D) (0, 1)c 07 .對于均勻增寬介質(zhì)，中心頻率處小信號增益系數(shù)為G (v0),當(dāng)I = '時(shí)，飽和顯著，非小信號中心頻率增益系數(shù)為：(c )01C01c0/、，(A)G (v0)(B)(v

3、0)(C)2°)(D) 30)8 .一平凹腔，具凹面鏡的半徑R等于腔長L,它是(b )(A)穩(wěn)定腔 (B)臨界腔 (C)非穩(wěn)腔9 .能夠完善解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)曲線的是(C )(A)瑞利-金斯公式(B)維恩公式(C)普朗克公式(D)愛因斯坦公式10 .腔長為0.5米，以=1.5,縱模間隔為b( )(A) 1.5父108Hz(B) 2M108Hz8 一8 一(C) 3M10 HZ(D) 4M10 HZ二、填空題(共20分)1 .穩(wěn)定腔的一塊反射鏡的曲率半徑 R1=4L,求另一面鏡的曲率半徑取值范圍 。(5 分)2 .一共焦腔(對稱)L = 0. 40m,人=0.6328Nm,束腰半徑w。=

4、0.2mm,離腰56cm處的光束有效截面 半徑為 。(5分)3 .下圖是紅寶石的能級結(jié)構(gòu)和躍遷示意圖。請說明圖中以下符號的意義，(每空2分，共10分) W13 、 W21 E2 、 E1 、 A21 。三、計(jì)算題（共40分）1. （12分）（1） 一質(zhì)地均勻的材料對光的吸收為 0.01mm-1、光通過10cm長的該材料后，出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的百分之幾 ？一光束通過長度為1m的均勻激活的工作物質(zhì)，如果出射光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的兩倍，試求該物質(zhì)的增益系數(shù)。P（v）At1ls（2LGD（V）2 -12. （14分）試從 2 A+G 式出發(fā)，證明用最佳透射率表示的非均勻增寬激光器的最佳輸出功率為：tm3.

5、（14分）考慮一用于氮離子激光器的Pm是酬用藏長入=0.514*m,腔長L= 1m,腔鏡曲率半徑R1=1.5m, R2=4m。試不算光腰尺寸和位置及焦參數(shù)。四、簡答題（10分）1.連續(xù)激光器穩(wěn)定工作時(shí)的增益系數(shù)是否會隨泵浦功率的提高而增加？為什么？廣東工業(yè)大學(xué)試卷參考答案及評分標(biāo)準(zhǔn)（）課程名稱：激光原理與技術(shù)。考試時(shí)間：2007 年6月18日（第16周星期一）、 單項(xiàng)選擇題（每題3分，共30分）5 （ C ）、10 （ B1 （ D ）、 2 （ B ）、3 （ C ）、4 （ C ）、8 （ B ）、9 （ C6 （ D ）、7 （ C ）、 、填空題（20分）（5分）2 0.6mm （5

6、分）3 .（每空2分，共10分） 受激吸收幾率（激勵(lì)幾率）受激發(fā)射幾率 激光上能級、基態(tài)能級，又是激光下能級，也是抽運(yùn)能級、 自發(fā)發(fā)射幾率 三、計(jì)算題（共40分） 解：（1） （12 分）_. Az I（z） = I（0）e（2 分）I（z）_0.011.001=e=-=0.368 I（0）e（3分）（2） ；I（z）=I（0）eGz（2 分）Hz） =eG1 =2I（0）（2 分）1 得 G=ln 2= 0.693m（3 分）2. (14 分)、1P ()二-Atil s證明：由2'2LGD(v)ai +ti )-1J,等式兩邊對t求導(dǎo)，并令其為零（3分）2Als(篝22AtIe2L

7、G r 2LG ” 八''2口 =。a t (a t)2(3分)223整理上式可得：4LG (a-t) = (a+t),2 (a - t)3(2LG)工二(3分)則最佳輸出功率式中t即為最佳透射率tm , (2分)12LG 2Pm = Atmls() -1a - tm1 (a tm)3 (a -tm)= -AtmIsm - -12 (a tm)二 Al s ma -tm（3分）3 （14 分）解：（1）束腰半徑r U , n0 =()nL(R1 -L)(R2 -L)(R R2-L)42(R1 R2-2L)211.5 4.5 43.52"0.51451O'=()

8、JI=0.348666mm(3分)L(R2L)= 3 二6(2)束腰位置(ri+R2 -2L)3.5 7m；|z21 = L - |zj = 1 - 6 = 1 m(2分)(3)兩鏡面上的光斑尺寸分別為：_2 _1當(dāng)RS)廣- 二 L(RL)(R R2-L)0.5145 10"2.25 3二'二 0.5 4.5 = 0 532596mm(3分)s22 1R；(R-L)L(R -L)(Ri R2 -L)0.5145 10-6116 0.5, 4i 二3 4.5=0.355064mm(3分)(4)焦參數(shù)f _ 1.L(R1 -L)(R2 -L)(R R2 - L)一R, R2 -

9、2L0.5 3 4.5 _ 2.63.5- 3.55.2 m7（3分）四、簡答題（10分）不G0GG閾1 2I Is1 答：（2分）因?yàn)檫B續(xù)激光器穩(wěn)定時(shí)增益系數(shù)為G0為小信號增益系數(shù)，I為腔內(nèi)光強(qiáng)，Is為飽和光強(qiáng)（3分）因此，當(dāng)滿足閾值條件以后，當(dāng)外界的泵浦功率增加時(shí)，腔 內(nèi)光強(qiáng)增加，引起增益飽和作用，則增益下降（2分）在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，激光器的增益系數(shù)保持與閾值相等，不會 隨泵浦功率的提高而增加(3分)考試時(shí)間：18 周星期（2007 4課程名稱:1月5日）廣東工業(yè)大學(xué)考試試卷（B ）激光原理及應(yīng)用一單項(xiàng)選擇 （30 分）1 .在一定溫 度下，自發(fā)輻射 幾率是受激輻 射幾率的（B）倍題號一一三四

10、五六七八九十總分得分評分人2 .粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)微觀粒子滿足（D ）（A）費(fèi)米分布（B）高斯分布（C）玻爾茲曼分布（D）負(fù)溫度分布3 .碰撞增寬譜線為（C ）（A）高斯線型 （B）拋物線型 （C）洛侖茲線型 （D）雙曲線型4 . CO2譜線的多普勒增寬為53MHz,中心頻率所對應(yīng)的譜線函數(shù)極大值為（ A ）5 .平行平面腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（C ）（A） （-1,-1）（B）（0, 0）（C） （1,1）（D） （0, 1）6 .諧振腔的縱模共振頻率為（A ）7 .對稱共焦腔基模光腰為（A ）8 .對同一種介質(zhì)，小信號增益系數(shù)隨（ B ）變化（A）譜線寬度（B）激發(fā)功率 （C）粒子數(shù)密度（D

11、）自發(fā)輻射幾率9 .調(diào)Q激光器通?？色@得（C ）量級短脈沖10 .紅寶石激光器是典型的（ B ）系統(tǒng)（A）二能級 （B）三能級 （C）四能級（D）多能級二.填空（20分）1 . 激光束的基本特性是 （4 分）2 .光和物質(zhì)相互作用產(chǎn)生受激輻射時(shí)，輻射光和照射光具有完全相同的特性，這些特性是指、和 。（4分）3 .激光腔振蕩模的特征是 、 & 4 分）4 . He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)，有三條主要激光譜線，其激光譜線及波長 分別為、0 （6 分）5 .若光束通過1m長的激光介質(zhì)以后，光強(qiáng)增大了一倍，此介質(zhì)的增益系數(shù)G為 （2 分）三、計(jì)算題（44分）1. （8分）靜止三原子3s2

12、 T 2P4譜線中心波長為0.6328m,求當(dāng)它以0.1c速度向觀察者運(yùn)動時(shí),中心波長變?yōu)槎啻螅?. （8分）腔長為0.5m的氮離子激光器，發(fā)射中心頻率v°=5.85Ml014Hz,熒光線寬Av =6勺08 Hz,問它可能存在幾個(gè)縱模？相應(yīng)的q值為多少？（設(shè)x=1）3. （20分）某激光器（九=0.9%）采用平凹腔，腔長L=1m凹面鏡曲率半徑R= 2m求:（1）它產(chǎn)生的基模高斯光束的腰斑半徑及腰斑位置。（2）它產(chǎn)生的基模高斯光束的焦參數(shù)。（3）它產(chǎn)生的基模高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角。4,（8分）He-Ne激光器輻射6328?光波，其方形鏡對稱共焦腔，腔長L = 0. 2m。腔內(nèi)同時(shí)存在TE

13、MTEM11, TEM22橫模。若在腔內(nèi)接近鏡面處加小孔光闌選取橫模，試問:如只使TEM 00模振蕩，光闌孔徑應(yīng)多大?（2）如同時(shí)使TEMo0, TEM11模振蕩而抑制TEM 22振蕩，光闌孔徑應(yīng)多大?四.論述題（6分）1. （6分）試述調(diào)Q激光器原理激光原理及應(yīng)用（B）卷答案及評分標(biāo)準(zhǔn)：（30 分）BDCACAABCB（4分）（4分）（1分）（12戶）二.（20 分）1. 方向性好、單色性好、相干性好、高亮度2. ft®、fW、偏振態(tài)、傳播方向。3. 模的電磁場理論（橫截 面內(nèi)的場的分布）4. 懶驪2P頻率0.6328N脩P往返 力散 的相對功率損耗 3S> 3P3 39/5

14、. 每號公憤2潞光源而發(fā) 散角三（44分）1 （8 分）解：由多譜勒效應(yīng)：v0=V0'1+Yi，（兩者相互接近時(shí)，即相向時(shí)， v>0 ） < C；（4分）, v0 =V0 1 + I 、CJc c，v 7.二二1 + 1-0 五0 < C ）10C0.6328 10 上1.1= 0.5753 10,（4分）2. （8 分）解:c2日L3 1082 1 0.5=3父108 Hz ,（2分）6 10883 10（2分）則可能存在的縱模數(shù)有三個(gè)，它們對應(yīng)的 q值分別為:qc2日L2日Lq二 、c_145.85 103 108= 1.95 106q+1=1950001,q 1

15、 = 1949999（4分）3 （ 20 分）解：（1）它產(chǎn)生的基模高斯光束的腰斑半徑及腰斑位置。f2=L（R低-LiR+-LLg _L）（3 分）l-L - RiL-R2 2代入各數(shù)值得：f = 1cm（1分）又 R= 2m= 2L可見此平凹腔為半共焦腔（2分）腰斑半徑為：w0 = Jf = 產(chǎn)M10。 （12分）HeNe激光器的中心頻率V0=4.74X 1014Hz,熒光線寬Av f= 1.5Ml09Hz。今腔長L = lm,問可能輸出的縱模數(shù)為若干？為獲得單縱模輸出，腔長最長為多少？ = 5.35父10%m（3分）0；3.14設(shè)平面鏡距腰斑位置為Z1,凹面鏡距腰斑位置為Z2 ,則'

16、;L*2-L）1X（2-1）cZ1 = 0L - R1L - R21 -二 1-26,、（4分）-L R1 - L-1 （： -1）,z2 = = = 1mL -R1 r i：L -R21廠11 -2可見腰斑位置z=0剛好在平面鏡處。（1分）（2）它產(chǎn)生的基模高斯光束的焦參數(shù)。其產(chǎn)生的基模高斯光束的焦參數(shù)即為產(chǎn)生高斯光束的共焦腔焦參數(shù)，即 f = 1cm（1分）（3）它產(chǎn)生的基模高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角：4 （8 分）解：（1）TEM00模在鏡面處的光斑半徑為所以光闌孔徑應(yīng)該為0.2mm（4分）（2）TEM 11模在鏡面處的光斑半徑為而以光闌孔徑為0.35mm（4分）四.（6分）1 （6 分）答：

17、初始時(shí)腔的Q值很低，使腔內(nèi)的損耗變大，上能級不斷積累大量粒子。當(dāng)在一定的外界激發(fā)功率下，上能級上的粒子數(shù)積累到最大值，（3分）突然使諧振腔的Q值變高，這時(shí)激光器的閾值突然降低，聚集在上能級上的粒子立即以極高的速度以雪崩的方式躍遷到低能級上，在瞬間形成極高的光脈沖峰值功率。（3分）廣東工業(yè)大學(xué)考試試卷（B）課程名稱：激光原理與技術(shù)試卷滿分100分考試時(shí)間：2007年6月18日（第16周 星期 一）一、單項(xiàng)選擇題（每題3分，共30分）1 .原子受激輻射的光與外來引起受激輻射的光具有相同的（b ）頻率、發(fā)散角、量子狀態(tài)、偏振、傳播方向（A）（B）（C）（D）2.在激光器中利用光學(xué)諧振腔（c ）（A）

18、可提高激光束的方向性，而不能提高激光束的單色性.（B）可提高激光束的單色性，而不能提高激光束的方向性.（C）可同時(shí)提高激光束的方向性和單色性.（D）既不能提高激光束的方向性也不能提高其單色性.3 .自然加寬是由于（a）引起 （A）激發(fā)態(tài)有一定的壽命 （C）多普勒效應(yīng)4 .多普勒加寬寬度可表示為（b）,11vD =7.16 101m）1 （14分）（1）試求出方形鏡對稱共焦腔鏡面上TEM 03模的節(jié)線位置的表達(dá)式（腔長L、光波波長九、 方形鏡邊長a）vo（A）Tr “ 一，T、. Vd =7.16 10 （）Vo（C）mo15 .一平凹腔，具凹面鏡的半徑R小于腔長 6.對稱共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)

19、為（(B)粒子的碰撞(D)粒子的振動T. ：vD =7.16 10)()2v0(B)"mol_T、2. Vd =7.16 10，()2Vo(D)“'aL,它是()a )(A) (-1,-1)(B)(0, 0)(C) (1,1)(D) (0, 1)(A)(B)(C)(D)(E)8.在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光器穩(wěn)定狀態(tài)（d （A）增益系數(shù)隨泵浦功率增加 （C）小信號增益系數(shù)隨光強(qiáng)增加（B）增益系數(shù)隨光強(qiáng)增加而減少 （D）增益系數(shù)等于閾值增益系數(shù)7.在方型對稱情形，TEMii對應(yīng)的花樣(b )9 .設(shè)均勻增寬型介質(zhì)的小訊號增益曲線的寬度為&v,當(dāng)I = Is時(shí)的穩(wěn)定工作時(shí)訊號增益曲線的

20、線寬為（c ）10 .鎖模激光器輸出脈沖功率IhN2, N為：（b ）（A） 脈沖數(shù)目.（B）縱模數(shù)目.（C）橫模數(shù)目.（D）能級數(shù)目 二、填空題（共20分）1 .要制作一個(gè)腔長L = 60cm的對稱穩(wěn)定腔，反射鏡的曲率半徑取值范圍R（5 分）2 .連續(xù)工作的CO2激光器輸出功率為50W（有效截面內(nèi)的功率），聚焦后的基模有效截面直徑2w =50Nm,每平方厘米平均功率為 . （5分）3 .請完成卜曲的表格（每格2分,共10分）激光器 名稱工作物 質(zhì)粒子工作物 質(zhì)形態(tài)激光譜線波長能級系統(tǒng)激勵(lì)方式紅寶石固態(tài)三能級系統(tǒng)He-NeNe原子能量的共 振轉(zhuǎn)移三、計(jì)算題（40分）(2)這些節(jié)線是否等間距？3

21、 . (14分)某諧振腔的幾何參數(shù)分別是 L=1m、Ri=3m及R2=2m.(1)這是哪一類型諧振腔？'''(2)試求其等價(jià)對稱共焦腔的參數(shù)(f RR2L ).(3)請?jiān)谕粋€(gè)圖上給出該諧振腔與其等價(jià)對稱共焦腔的相對位置.四、簡答題(10分)1,穩(wěn)定球面腔激光器工作物質(zhì)橫向尺寸增大是否會增加輸出光束的光斑半徑？為什么?廣東工業(yè)大學(xué)試卷參考答案及評分標(biāo)準(zhǔn)(B)課程名稱：激光原理與技術(shù)。考試時(shí)間：2007 年6月18日(第16周星期一)一、單項(xiàng)選擇題(每題3分，共30分)1 (B )、 2 (C)、3 (A)、4 (B)、5 ( C)6 (A )、 7 (B)、 8 (D)、 9 (C)、 10( B )二、填空題(20分)1 .>30cm(5 分)2 2.546>d06W/cm2(5 分)3 .(每格2分，共10分)光泵浦氣體6328A四能級系統(tǒng)三、計(jì)算題（40分）1 .（12 分）解二因?yàn)榧す馄鞯目v模間