華中科技大學(xué)激光原理2002-2015歷年真題

1、華科考研激光原理2002-2015真題2015年（839）一、簡(jiǎn)單1、激光產(chǎn)生的必要條件？2、激光的四種特性？選擇一種說(shuō)明其用途3、諧振腔的穩(wěn)區(qū)圖，并寫明穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔的位置4、四能級(jí)系統(tǒng)速率方程和圖示二、共焦腔與一般穩(wěn)定腔的對(duì)應(yīng)計(jì)算三、行波腔的均勻加寬和多普勒加寬的最大輸出功率計(jì)算四2015激光原理（900）一、簡(jiǎn)答題1、n 大于0，激光器是否能夠產(chǎn)生自激振蕩？2、光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)和作用3、共焦腔與一般腔的等價(jià)性4、均勻加寬與非均勻加寬的特點(diǎn)5、連續(xù)激光器從開始振蕩到產(chǎn)生穩(wěn)定輸出增益系數(shù)的變化情況6、光學(xué)模式以及橫模和縱模二、三能級(jí)四能級(jí)的本質(zhì)區(qū)別，以及為什么四能級(jí)更容易產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)三、三

2、能級(jí)能級(jí)示意圖，速率方程四、穩(wěn)定腔，非穩(wěn)腔，臨界腔計(jì)算判斷(很簡(jiǎn)單)五，光線傳輸矩陣相關(guān)的題2014年一.解釋題 1.描述自然加寬和多普勒加寬的成因，說(shuō)明他們屬于什么加寬類型。(15)   2.描述一般穩(wěn)定腔和對(duì)稱共焦腔的等價(jià)性。(15) 3.增益飽和在連續(xù)激光器穩(wěn)定輸出中起什么作用？ 譜線加寬是怎樣影響增益飽和特性的？(15) 4.說(shuō)明三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別，哪個(gè)系統(tǒng)更容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為什么?(15)  二解答題 1. 一個(gè)折射率為,厚度為d的介質(zhì)放在空氣中，界面是曲率

3、半徑為R的凹面鏡和平面鏡。（1）求光線從空氣入射到凹面鏡并被凹面鏡反射的光線變換矩陣。（2）求光線從凹面鏡進(jìn)入介質(zhì)經(jīng)平面鏡反射再?gòu)陌济骁R射出介質(zhì)的光線變換矩陣。（3）求光線從凹面鏡進(jìn)入介質(zhì)再?gòu)钠矫骁R折射出介質(zhì)的光線變換矩陣。(25)   2. 圓形鏡共焦腔的腔長(zhǎng)L=1m，（1）求縱模間隔，橫模間隔,. (2)若在增益閾值之上的增益線寬為60Mhz，問腔內(nèi)是否可能存在兩個(gè)以上的縱模震蕩，為什么？(25)   3. 虛共焦型非穩(wěn)腔的腔長(zhǎng)L=0.25m，由凹面鏡M1和凸面鏡M2組成，M2的曲率半徑和直徑為,若M2的尺寸不變，要求從M2單端輸

4、出，則M1的尺寸為多少；腔的往返放大率為多少。(20)4. 某連續(xù)行波激光放大器，工作物質(zhì)屬于均勻加寬型，長(zhǎng)度是L，中心頻率的小信號(hào)增益為，初始光強(qiáng)為中心頻率飽和光強(qiáng)為，腔內(nèi)損耗系數(shù)為 (),試證明有：（20） (提示：,  構(gòu)造微分方程) 2013年一、簡(jiǎn)答：1.說(shuō)出激光器的兩種泵浦方式，并分別舉個(gè)例子。2.什么是空間燒孔？并說(shuō)明對(duì)激光器模式的影響。3.試寫出二能級(jí)的速率方程。并證明二能級(jí)不能產(chǎn)生自激震蕩（設(shè)f1=f2）。4.說(shuō)出三種粒子躍遷的方式。并給出各自的特點(diǎn)。5.什么是增益飽和，在激光器增益中的作用。二、三、就是那個(gè)三個(gè)鏡的三角環(huán)形腔，周版書上的原題，求

5、腔的穩(wěn)定性。四、激光模式的匹配。兩個(gè)平凹腔，分別給出腔長(zhǎng)和半徑，先計(jì)算穩(wěn)定性，再求透鏡放在兩腔之間什么地方以及透鏡的焦距才能實(shí)現(xiàn)兩高斯光速的匹配。五、大信號(hào)增益。（1）給出初始光強(qiáng)I0>>  飽和光強(qiáng)Is，和腔長(zhǎng)L求輸出光強(qiáng)；（2）求極限光輸出功率（單位輸出面積的）。2012年題型：簡(jiǎn)答題5個(gè)，一個(gè)10分。計(jì)算4個(gè)，一個(gè)25分。一、簡(jiǎn)答：1，什么是蘭姆凹陷，說(shuō)明形成條件。2，何為激光模式，解釋橫模、縱模。3，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度大于零時(shí)，是否能形成穩(wěn)定振蕩，說(shuō)明理由。4，非均勻加寬和均勻加寬各有什么特點(diǎn)？5，高斯光束有什么特點(diǎn)？二、計(jì)算：1、某諧振腔中除兩反射鏡外所有

6、光學(xué)元件的矩陣元是(A B C D)（2*2矩陣），求證其穩(wěn)定性條件為0<g1g2<1 其中g(shù)1=A-B/R1，g2=C-B/R2具體g1，g2的表達(dá)式可能有誤，供參考2，某腔中有兩個(gè)模式，頻率分別為v1，v2，且v0<v1<v2，其中v0為中心頻率，試問，這兩個(gè)模式是否都能穩(wěn)定振蕩？2011年一、 簡(jiǎn)要回答下列問題1. 什么是對(duì)稱共焦腔與一般穩(wěn)定球面腔的等價(jià)性？2. 簡(jiǎn)要描述三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)形成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的區(qū)別，三能級(jí)系統(tǒng)形成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為什么比四能級(jí)系統(tǒng)要困難，試舉例三能級(jí)和四能級(jí)激光器各一種，并說(shuō)明波長(zhǎng)。3. 簡(jiǎn)述非穩(wěn)腔的優(yōu)缺點(diǎn)，畫出實(shí)共焦望遠(yuǎn)鏡的幾何自再現(xiàn)波形。

7、4. 分析均勻加寬固體激光器的模式競(jìng)爭(zhēng)。二、 求所示諧振腔的穩(wěn)定性三、 一種三能級(jí)系統(tǒng)激光器，其S32=5*106 s-1, S21=0, A21=3*102 s-1, A31=3*106 s-1, g1=g2, 腔內(nèi)只存在一個(gè)諧振模，不計(jì)各種損耗：a） 求在外界泵浦情況下，該激光器的激光形成過程；b） 列出完整的速率方程；c） 穩(wěn)態(tài)時(shí)，如果介質(zhì)激光上下能級(jí)粒子數(shù)相等，則應(yīng)為多少？四、 在一種Ar+激光器中，其產(chǎn)生的高斯光束束腰半徑為0.41mm，束腰位置恰好在某凸透鏡前表面上，該激光器的輸出功率為400W，透鏡焦距為10mm，試計(jì)算Ar+激光器發(fā)射的激光經(jīng)透鏡聚焦后，焦點(diǎn)處光斑半徑內(nèi)的平均功

8、率密度。（Ar+激光波長(zhǎng)為514.5nm）五、 有一連續(xù)行波激光放大器，工作物質(zhì)具有均勻加寬線型，中心頻率v0處的小信號(hào)增益系數(shù)為Gm，工作物質(zhì)的損耗系數(shù)為，入射光頻率為v0，其有效面積為A，求放大器的最大極限輸出功率Pm。六、 如何利用短腔法選取單縱模？ 激光工作物質(zhì)是釹玻璃，其熒光線寬F=24.0nm，折射率=1.50，能用短腔法選單縱模嗎？為什么？2011年2010年一、 簡(jiǎn)答題1 簡(jiǎn)述受激輻射和自發(fā)輻射的區(qū)別2 用小孔光闌簡(jiǎn)述激光形成的物理過程；3 用小孔光闌簡(jiǎn)述自再現(xiàn)模的形成過程；4 試畫出雙凸腔的自再線波型5 是簡(jiǎn)述在什么情況下是均勻加寬線性函數(shù)，什么情況下是非均勻加寬線性函數(shù)？二

9、、 在非均勻加寬氣體激光其中，線寬是1500MHZ，諧振腔長(zhǎng)108cm，已知反射鏡的透射率分別是0和0.03，求在該激光其中可能存在多少縱模？三、 在單縱模運(yùn)行的固體激光器里，已知輸出波長(zhǎng)為1.06m，諧振腔的長(zhǎng)度100cm，問是否存在空間燒孔，求出燒孔周期，如果沒有燒孔，試說(shuō)明理由。四、 以知高斯光束束腰在Z=O處，試寫出不同位置的等相位面的曲率半徑，并討論等相位面的中心位置，并證明存在曲率半徑最小的位置2009年1.蘭姆凹陷原理2.簡(jiǎn)述激光器激光產(chǎn)生原理3.證明：腔長(zhǎng)相同的所有對(duì)稱穩(wěn)定球面腔中，以共焦腔中基模的模體積最小。 （可能用到的公式: ）4.均勻加寬和非均勻加寬的區(qū)別5.增益飽和的

10、物理意義6.連續(xù)行波激光放大器，告訴了一些參數(shù)（忘了），工作物質(zhì)具有均勻加寬線型或非均勻加寬線型時(shí)，求最大極限輸出功率。2008年一、簡(jiǎn)答題1.什么是增益飽和，為什么連續(xù)激光器能夠連續(xù)穩(wěn)定地輸出激光？2.簡(jiǎn)述自激振蕩形成的過程。二、列舉三種激光器諧振腔的分析方法，討論這些分析方法的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。三、試證明：在所有相同而R不同的對(duì)稱穩(wěn)定球面腔中，共焦腔的衍射損耗最低，這里L(fēng)表示腔長(zhǎng)，R=R1=R2為對(duì)稱球面腔反射鏡的曲率半徑，a為鏡的橫向線度。2007年一、 簡(jiǎn)答題（25分）1. 增益飽和的物理機(jī)制是什么？它在連續(xù)激光器穩(wěn)定運(yùn)行中起什么作用？(5分）2. 簡(jiǎn)述受激輻射的物理過程和特點(diǎn)； (5分

11、)3. 蘭姆凹陷是如何形成的？它能夠用作什么應(yīng)用？ (6分)4. 列舉三種激光諧振腔的分析方法，說(shuō)明各自的特點(diǎn)，適用范圍及它們之間的相互關(guān)系。 (9分)二、 光線在類透鏡介質(zhì)中的傳輸距離Z的變換矩陣為： ABCD=cosz1sinz-sinzcosz ，在z=0時(shí)，q參數(shù)為: q0=q(z=0)=-iZ0，試分析：（1） 類透鏡介質(zhì)中高斯光束光斑大小的變化規(guī)律；（10分）（2） 證明存在一種情況，高斯光束的光斑大小不隨傳播距離發(fā)生變化； （10分）（3） 在滿足（2）的情況下，高斯光束的等相位面的曲率半徑如何變化？（5分）4m三、 某激光器（波長(zhǎng)為10.6m）輸出的峰值功率為5kW，光束腰斑半

12、徑為2mm。該激光器的輸出通過焦距為354mm的透鏡聚焦進(jìn)行材料加工，在這樣一種加工系統(tǒng)中，通過控制系統(tǒng)可以使激光器的腰斑到聚焦透鏡的距離在2.5到5m間變化，如圖所示，試計(jì)算激光器通過透鏡聚焦后在焦平面上光強(qiáng)的變化范圍。說(shuō)明可以采用什么措施降低焦平面上光強(qiáng)的波動(dòng)范圍。（20分）1.5m1mCO2 Laser四、 對(duì)于均勻加寬單模運(yùn)轉(zhuǎn)的行波激光器，假設(shè)諧振腔內(nèi)只存在一個(gè)方向傳輸?shù)男胁ǎ?qǐng)回答下列問題：（1） 說(shuō)明在此激光諧振腔光軸方向是否存在空間燒孔效應(yīng)？ （8分）（2） 試推導(dǎo)激光器輸出功率表達(dá)式，并證明此激光器也存在一個(gè)最佳透過率使得激光器的輸出功率達(dá)到極大值； （12分）（3） 寫出激光

13、器諧振腔內(nèi)光強(qiáng)隨透過率的變化關(guān)系，是否也存在一個(gè)最佳透過率使得激光器諧振腔內(nèi)的光強(qiáng)達(dá)到極大值？ （5分）五、 對(duì)于由相距L的兩球面鏡（曲率半徑為R1，R2）組成的穩(wěn)定諧振腔，推導(dǎo)鏡面處自洽場(chǎng)光束參數(shù)q的表達(dá)式，由此證明光束在鏡面處的曲率半徑等于該反射鏡的曲率半徑。（15分）六、 畫出諧振腔內(nèi)帶有傾斜耦合鏡的虛共焦非穩(wěn)腔的示意圖，并設(shè)計(jì)一腔長(zhǎng)為1m的虛共焦非穩(wěn)腔，要求諧振腔的能量損耗為36%，分別對(duì)于二維、三維反射鏡的情況，計(jì)算該諧振腔反射鏡的曲率半徑。（20分）七、 TEM00模式的激光光束垂直入射到完全吸收的介質(zhì)平面上，平面中央處有半徑為a的小孔，求該平面對(duì)垂直入射的TEM00模式的透過率，

14、并計(jì)算當(dāng)小孔半徑正好等于該處基模光斑半徑時(shí)的透過率值。（20分）2006年（75分）1. 在均勻加寬內(nèi)腔式氣體激光器中，在剛開始點(diǎn)燃時(shí)，可觀察到激光功率不斷起伏，激光頻率在v0附近變化，開始時(shí)頻率不斷減小，在某時(shí)刻有發(fā)生跳變而突然增大，試解釋該現(xiàn)象。（10分）2. 什么是蘭姆凹陷？試說(shuō)明采樣蘭姆凹陷進(jìn)行激光穩(wěn)頻的原理和實(shí)現(xiàn)方式，畫出必要的原理圖和框圖。（15分）3. 設(shè)平行平面腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=1m，一端為全反射，另一端面反射鏡的反射率為R=0.99，試求在1500MHz頻率范圍內(nèi)所包含的縱模數(shù)目和每個(gè)縱模的頻帶寬度。（16分）4. 有一均勻加寬氣體激光器，其增益介質(zhì)長(zhǎng)L=80cm，中心頻率小信號(hào)

15、增益系數(shù)為Gm=0.001cm-1，飽和光強(qiáng)Is=30W*cm-2，線寬為vH=2kHz，一面反射鏡的透過率為：T1=0.01，另一面輸出鏡的透過率T2可變，忽略其他損耗，腔長(zhǎng)L=100cm。（a） 求中心頻率處的輸出光強(qiáng)I和T2函數(shù)關(guān)系并作出關(guān)系曲線；（12分）（b） 假設(shè)光斑面積A=1mm2，試求中心頻率處T2輸出鏡的最佳透過率和最大輸出功率；（10分）5. 從鏡面上光斑大小的角度來(lái)分析，當(dāng)光斑尺寸超過鏡面的線度時(shí)，這樣的模式就不可能存在。試由此估計(jì)一下，在L=30cm，2a=0.2cm的氦氖方形鏡對(duì)稱共焦腔激光器中（波長(zhǎng)為632.8nm）所能夠出現(xiàn)的最高階橫模的階次m（或n）為多大？（1

16、2分）2005年（75分）一、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述自激振蕩的形成過程。（5分）2.試述增益飽和的物理機(jī)制，并說(shuō)明其在連續(xù)穩(wěn)定工作的激光器中的作用。（5分）3.試寫出四能級(jí)系統(tǒng)的速率方程，畫出能能級(jí)圖并標(biāo)出相關(guān)系數(shù)。（5分）4.什么是對(duì)稱共焦腔和一般穩(wěn)定球面腔的等價(jià)性。（5分）二、一質(zhì)地均勻的材料對(duì)光的吸收系數(shù)為0.01mm-1，光通過10cm長(zhǎng)的該材料后，出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的百分之幾？如果一光束通過長(zhǎng)度為1m的均勻激活的工作物質(zhì)，要求出射光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的兩倍，試求該工作物質(zhì)的增益系數(shù)。（10分）三、三個(gè)反射平面鏡組成的等邊三角形的環(huán)行腔，每邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，其中一邊的中點(diǎn)放有焦距為F的透鏡，（12分）（1）

17、畫出該腔的等效透鏡波導(dǎo)；（2） L/F為何值時(shí)，該腔是穩(wěn)定腔；（3）不用數(shù)學(xué)推導(dǎo)能否指出束腰的位置。四、有一長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)的均勻加寬連續(xù)放大器，其工作物質(zhì)的有效截面積為A，在頻率v0處的小信號(hào)增益系數(shù)為G0，內(nèi)部損壞為，飽和光強(qiáng)為Is，入射光的頻率為v0，入射光功率為P0，試求該放大器的極限輸出功率Pm。（15分）五、試述均勻加寬和非均勻加寬的特點(diǎn)和區(qū)別，并簡(jiǎn)述在均勻加寬激光器中的自選模過程和非均勻加寬激光器的多縱模振蕩。（18分）2004年（75分）一、簡(jiǎn)答題1.一光束入射到長(zhǎng)10cm、增益系數(shù)為0.5cm-1的工作物質(zhì)中，求出射光強(qiáng)對(duì)入射光強(qiáng)的比值；（6分）2.小信號(hào)增益系數(shù)和大信號(hào)增益系數(shù)有

18、何不同，如何區(qū)分？（6分）3.簡(jiǎn)要說(shuō)明三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過程中的特點(diǎn)。（8分）二、試分析強(qiáng)光作用下弱光增益系數(shù)的特點(diǎn)，分均勻加寬和非均勻加寬兩種情況分別討論。（15分）三、腔長(zhǎng)為1m的激光諧振腔，由于周圍環(huán)境溫度的變化，腔長(zhǎng)將有沿光軸方向的微小變化，如果要保證縱模頻率變化在1Hz以內(nèi)，試問：允許腔長(zhǎng)改變的最大值是多少？（15分）四、一均勻加寬氣體激光器，增益介質(zhì)長(zhǎng)l=80cm，中心頻率小信號(hào)增益系數(shù)Gm=0.001cm，飽和光強(qiáng)Is=30W*cm-2，線寬為vH=2kHz，一面反射鏡的透過率為：T1=0.01，另一面輸出鏡的透過率T2可變，忽略其他損耗，腔長(zhǎng)L=100cm。（1

19、） 求輸出光強(qiáng)I和T2的函數(shù)關(guān)系并作出關(guān)系曲線；（15分）（2）假設(shè)光斑面積A=1mm2，分別求激光器兩端的輸出功率P。（10分）2003年（75分）一、簡(jiǎn)答題1.什么是小信號(hào)增益系數(shù)？在其他條件相同的情況下，小信號(hào)增益的系數(shù)對(duì)激光輸出功率有什么影響？（8分）2.兩鏡共軸共焦腔是穩(wěn)定腔嗎？為什么？（5分）3.為什么激光的譜線總是有一定的寬度？（5分）4.試說(shuō)明模體積的大小對(duì)激光輸出的作用。（5分）二、試分析均勻加寬和非均勻加寬的作用在小信號(hào)和大信號(hào)時(shí)對(duì)產(chǎn)生激光的縱模數(shù)的影響。（20分）三、TEM01模式的激光光束垂直入射到完全吸收的介質(zhì)平面上，平面中央處有半徑為a的小孔，求該平面對(duì)垂直入射的TEM01模式的透過率，并計(jì)算當(dāng)