激光原理与激光技术习题答案

习题一

(1)为使氦氖激光器得相干长度达到1m ，它得单色性?λ/λ应为多大？解:

（2) λ=5000?得光子单色性?λ／λ=10-7,求此光子得位置不确定量?x 解: (3）C Ｏ2激光器得腔长Ｌ=100ｃm,反射镜直径Ｄ=1.5c ｍ，两镜得光强反射系数分别为ｒ1=０、98５,ｒ2＝0、8。求由衍射损耗及输出损耗分别引起得δ、τｃ、Ｑ、?νｃ(设n=1) 解: 衍射损耗:

10113107511061010314322?=??????=πντ=--....Q c

MHz .Hz ...c c 1910191075114321216

=?=???=πτ=

ν?- 输

出

损

耗

86810

964107821061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 7510751078214321216

=?=???=πτ=

ν?- (4）有一个谐振腔,腔长L=1m ，两个反射镜中，一个全反,一个半反，半反镜反射系数ｒ=０、99,求在1500M Ｈz 得范围内所包含得纵模个数,及每个纵模得线宽(不考虑其它损耗) 解：

(5) 某固体激光器得腔长为45cm,介质长3０ｃm,折射率ｎ=１、5，设此腔总得单程损耗率0、01π,求此激光器得无源腔本征纵模得模式线宽。解：

(6)氦氖激光器相干长度1ｋｍ,出射光斑得半径为r=0．3m ｍ,求光源线宽及1ｋm 处得相干面积与相干体积。解:

习题二

（1)自然加宽得线型函数为求①线宽②若用矩形线型函数代替(两函数高度相等)再求线宽。解:①线型函数得最大值为令

②矩形线型函数得最大值若为则其线宽为

(２）发光原子以０．2c 得速度沿某光波传播方向运动，并与该光波发生共振,若此光波波长λ=0.5μｍ,求此发光原子得静止中心频率。解:

（３)某发光原子静止时发出0．488μm 得光,当它以0.2ｃ速度背离观察者运动,则观察者认为它发出得光波长变为多大？

解: m c

c c v z μλλ5856.0488.02.1488.0)2.01(100

=?=?--=??

? ?

?-=' （4)激光器输出光波长λ＝10μm ，功率为1w,求每秒从激光上能级向下能级跃迁得粒子数。

解:

(6)红宝石调Q 激光器中有可能将几乎全部得C ｒ+3激发到激光上能级，并产生激光巨脉冲。设红宝石棒直

径为1cm ，长为7.5c ｍ,Cr +3得浓度为2?10９ｃm -３

,脉冲宽度１0ns,求输出激光得最大能量与脉冲功率。解：J h L r V h W 9108

103.410

694310310

6.631020.0750.0053.14---?=?????????===ν?πν?

（7）静止氖原子3Ｓ2→2Ｐ4谱线中心波长0．63２8μｍ,求当它以0．１c 速度向观察者运动时,中心波长变为多大？

解: m c

c c v z μλλ5695.06328.09.06328.0)1.01(100=?=?-=??

? ?

?-='

(9)红宝石激光器为三能级系统，已知S 32=0、5?10７

１／s, A 31=3?1０５

1/s, Ａ21=0、3?1031/s 。其余跃迁

几率不计。试问当抽运几率W 1３等于多少时,红宝石晶体将对λ=0.６943μｍ得光就是透明得? 解

1757

33231322132318)105.0103(105.0103.0)()-=?+???=+=s S A S A S 习题三

(１)若光束通过1m 长得激光介质以后,光强增大了一倍，求此介质得增益系数。

解：

(2）计算Y AG 激光器中得峰值发射截面S ３２,已知?νF =2?1011Hz,τ3=２、3?1０－

4s,n=１、8。解:22211

42212232220

32109.110

2103.28.114.341006.14m n S F ---?=???????=?=

ντπλ （3) 计算红宝石激光器当ν=ν0时得峰值发射截面,已知λ０=0.6943μm, ?νF ＝３、3 ?1011Hz, τ２＝4、２ms, n=１、7６。

解:22411

32212222220211084.2103.3102.476.114.34106943.04m n S F ---?=???????=?=ντπλ

习题四

(1) 红宝石激光器腔长L=11.25cm,红宝石棒长l ＝１0c ｍ，折射率ｎ=１、７5,荧光线宽?νＦ＝2?１0５

MHz,

当激发参数α=1、16时,求:满足阈值条件得纵模个数解:

(2) 氦氖激光器腔长1m,放电管直径２ｍｍ,两镜反射率分别为１0０％、98%,单程衍射损耗率δ=0、04,若Ｉ

s =０、1Ｗ/mm 2,Ｇｍ=3?１0-4

／ｄ, 求①νq ＝ν0时得单模输出功率 ②νｑ＝ν0+?νD 时得单模输出功率解:①

mw STI P s 13.25)13(1.002.0114.35.0)1(22221

0=-?????=-=αν

②mw e e

STI P i q s 8.7)13(1.002.0114.3]1[2ln 222)(2

ln 82

00=-????=-=-?--ννννα

(3) 氦氖激光器放电管长l =0．5ｍ，直径d=1.5mm,两镜反射率分别为1０0%、98%，其它单程损耗率为0、0１5,荧光线宽?νF ＝15０0MHz 。求满足阈值条件得本征模式数。（G m =3?10-4/ｄ) 解:

(5) CO ２激光器腔长Ｌ=1m,，放电管直径d ＝10ｍm,两反射镜得反射率分别为0、92、0、８,放电管气压

3000Pa 。可视为均匀加宽,并假设工作在最佳放电条件下。求 ①激发参数α ②振荡带宽?νT ③满足阈值条件得纵模个数 ④稳定工作时腔内光强。（频率为介质中心频率ν0)经验公式:?νＬ=０、049ｐ（ＭＨ

z ）、G m ＝1、４?10-２/ｄ(１/mm)、I s ＝72/d 2(w ／ｍm ２

)。解：①

② ③

④

（6)氦氖激光器放电管直径d=0.5mm,长l =10ｃm,两反射镜反射率分别为1０0%、98%,不计其它损耗,稳态功率输出0、5ｍw,求腔内光子数。(设腔内只有ν0一个模式,且腔内光束粗细均匀）解:

个7

234103103.51031063.602.01063281.0105.022?=?????????===Φ---c TSh PV V ν?

(7)CO 2激光器腔长l ＝1m ，放电管直径d=1０mm ，单程衍射损耗率δｄ=0、5%，两镜面散射损耗率分别为1、

5%,两镜透过率分别为2%、10%，其它损耗不计。当它工作在室温(300K)条件下时，求 ①激发参数 ②碰撞线宽及多普勒线宽,并判断它属于哪种加宽类型（设放电管中气压为最佳气压) ③计算在最佳放电条件下稳定工作时,腔内得光强 ④若输出有效面积按放电管截面积得0、8计，此激光器得最大输出功率就是多大？有关公式： G ｍ＝１、4?1０-2/d(1／mm)、Ｉs =72/d 2(w/mm 2)、ｐ?d=2、67?104P a ?mm ?νＬ=０、04９p(Ｍ

Hz ）、?νＤ＝７、16?10－

7ν0。解:①083.0)9.098.0ln(5.0015.0005.0ln 015.0005.0212

1=??-+=-+=r r δ

②

属于均匀加宽 ③

④

w a l G SI P m s m 49)04.010104.12(72.08.625.0)2(23322

1=-??????=-=- （8)Ｈe-Ｎｅ激光器放电管气压ｐ=27０P ａ，上、下能级寿命分别为τ3=2?10－

8s 、τ2＝2?1０-８

s 。求 ①T ＝

３00Ｋ时得多普勒线宽?νＤ ②计算均匀线宽?νH ③计算烧孔宽度δν=２?νH 时得腔内光强(Ｉs =0、1W/ｍm 2) 解:①

②

③

（9)长1０cm 红宝石棒置于20ｃm 得谐振腔内,已知其自发辐射寿命τ21=4?10-3s,?νＨ＝２?１0５

MH ｚ，腔得

单程损耗率δ＝0、01。求 ①阈值反转粒子数密度?n t ②当光泵激励产生?n=1、2?ｎ t 时,有多少纵模可以起振？（n=1、76）

解:① 22411

3221222222021109.410

210476.114.34106943.04m n S F ---?=???????=?=ντπλ

②

习题五

(1) 证明:两种介质（折射率分别为n １与n 2)

证:由折射定律近轴条件

即

(2) 证明:两种介质(折射率分别为n

与n ２)证:

12121121112

1112

112122)(

)(θθααθr R

n n n R

r n n R

r i n n R

r i R

r i -=--=--=-=-=-=

即 (３)分别按图(ａ）、(b)中得往返顺序，推导旁轴光线往返一周得光学变换矩阵,并证明这两种情况下得相等。

(a) (b) 解:

（a)

(b)

(4),而且两次往返即自行闭合。证：共焦腔 R 1212往返一周得传递矩阵, 往返两周得传递矩阵

习题七

(1) 平凹腔中凹面镜曲率半径为R,腔长Ｌ=0、2R,光波长为λ,求由此平凹腔激发得基模高斯光束得腰斑半

径。

解:

(2) 对称双凹腔长为L,反射镜曲率半径R=2．5L,光波长为λ,求镜面上得基模光斑半径。解:

镜面处坐标为,镜面光斑：()π

λπλπλL

L L L L f w L s 52145411w 222

=+=+= (3) 稳定双凹球面腔腔长Ｌ=1m,两个反射镜曲率半径分别为Ｒ1=1．５m 、Ｒ2=３m 。求它得等价共焦腔腔

长,并画出它得位置。

解:

(4) 有一个凹凸腔,腔长L=３0cm,两个反射镜得曲率半径大小分别为R 1=

５0cm 、Ｒ2=30cm,如图所示,使用Ｈe-Ne 做激光工作物质。①利用稳定性

条件证明此腔为稳定腔 ②此腔产生得高斯光束焦参数 ③此腔产生得高斯

光束得腰斑半径及腰位置 ④此腔产生得高斯光束得远场发散角解:① 满足稳定条件0

② ③,腰在R 2镜右方15cm 处 ④

(5) 有一个平凹腔,凹面镜曲率半径R ＝5ｍ,腔长L=1ｍ，光波长λ=0.5μm ，求①两镜面上得基模光斑半径②

基模高斯光束得远场发散角解:①

平面镜坐标: z 1＝０, 凹面镜坐标: z 2=L ＝１m 平面镜光斑: ｗs1=ｗ0=０.56mm ，凹面镜光斑: ②

(6) 求方形镜共焦腔镜面上得ＴＥM ３０模得节线位置（以w 0s 为参数) 解：

令 x 1＝0

习题八

(1) 某激光器(λ＝0.9μｍ)采用平凹腔，腔长L=1m,凹面镜曲率半径R=２m 。求①它产生得基模高斯光束得

腰斑半径及腰位置②它产生得基模高斯光束得焦参数③它产生得基模高斯光束得远场发散角解: ① ,腰在平面镜处

② ｆ=１m ③

(2) 某高斯光束得腰斑半径w 0=1.１4mm,光波长λ=１0.６μｍ，求与腰斑相距z ＝30c ｍ处得光斑半径及等相

位曲率半径。解:

(3) 某高斯光束得腰斑半径w 0＝0．３mm,光波长λ=０.６328μm ，求腰处、与腰相距30c ｍ处得ｑ参数解: q 0=ｉｆ=447i (mm ）， q(z ）=z+if=±３00+447i (mm)

(4) 某高斯光束得腰斑半径为w 0=1.2mm ，光波长λ＝１0．6μm,今用焦距F=２ｃm 得透镜对它进行聚焦。

设光腰到透镜得距离分别为１０ｍ及0m 时,求聚焦后得腰斑半径及其位置。解:

腰到透镜距离为l ＝0ｍ时: 腰到透镜距离为l =10ｍ时: mm F l f 32

200

104.2)2010000(4272.120)(Fw w -?=-+?=

-+=

mm F f F l l l l 04.2020427

)2010000(427)2010000(10000)(f F)-(2

222=?+-+-?=+-+='

(5) 两个H ｅ-N ｅ激光器都采用平凹腔，它们得尺

寸与相对位置如图所示,问在何处插入一个焦距为多大得透镜,可使这两个激光器所激发得高斯光束之间实现匹配? 解:

cm A l l f A A F 344

0925.27527583.33)40925.2(0925.24

2)4(2

22220

20202=-?-+?-?=--+-=

cm f F f f F f F w w F l 5.43483.3334258.4534222022020

±=-?±=-'±=-'±= cm f F f f F f F w w F l 45.23483.33348

.4525

34222022020

±=-?±=-'±=-'±

=' 透镜焦距F=３４ｃm, 置于距R ２镜、R '2镜距离分别为 l =

若取ｌ=3４、4-4、5=29.5cm , ｌ'=3４-2、45=31．55cm, (6) 激光器使用腔长为L 得半共焦腔,凹面镜为输出镜，光波长为λ,现在距离输出镜为Ｌ得地方放置一个焦距F=Ｌ得透镜, 用q 参数求出经透镜变换后得高斯光束腰斑半径与腰位置。

解:由半共焦腔特点知Ｒ=2L,

平面镜处q 参数：q １=ｉf=iL, 透镜处未变化前得q 参数:q 2透镜处变化后得ｑ参数:L i L i i L i i i L L i L q F Fq q 2

32)1)(2(12)2()2(2

+-=+-+=--+=+-+=-=

l '=1.5L, ｆ'=0.5Ｌ, 腰半径为，腰在透镜右方1．5L 处

(7) 用两个凹面镜构成双凹谐振腔,两镜半径分别为R 1＝１m 、R ２=2m ，腔长L=0.５ｍ，求如何选择高斯光

束得腰斑半径及腰位置,才可以使之成为腔中得自再现光束？(设光波长λ=10.６μm ）解:

解出ｚ１=-０．375m, ｚ2＝0.125m ， f=0.484ｍ

腰在R 1镜右方37．5cm 处

激光原理复习题答案

激光原理复习题 1. 麦克斯韦方程中 0000./.0t t μμερε????=-???????=+????=???=?B E E B J E B 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的在矛盾和运动；不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以相互激发。在方程组中是如何表示这一结果？答：（1）麦克斯韦方程组中头两个分别表示电场和磁场的旋度，后两个分别表示电场和磁场的散度； (2) 由方程组中的1式可知,这是由于具有旋度的随时间变化的电场(涡旋电场),它不是由电荷激发的,而是由随时间变化的磁场激发的; (3)由方程组中的2式可知，在真空中，,J =0，则有 t E ??=? 00B *εμ ；这表明了随时间变化的电场会导致一个随时间变化的磁场；相反一个空间变化的磁场会导致一个随时间变化的电场。这种交替的不断变换会导致电磁波的产生。 2, 产生电磁波的典型实验是哪个？基于的基本原理是什么？答：产生电磁波的典型实验是赫兹实验。基于的基本原理：原子可视为一个偶极子，它由一个正电荷和一个负电荷中心组成，偶极矩在平衡位置以高频做周期振荡就会向周围辐射电磁波。简单地说就是利用了振荡电偶极子产生电磁波。 3 光波是高频电磁波部分，高频电磁波的产生方法和机理与低频电磁波不同。对于可见光围的电磁波，它的产生是基于原子辐射方式。那么由此原理产生的光的特点是什么？答：大量原子辐射产生的光具有方向不同，偏振方向不同，相位随机的光，它们是非相干光。 4激光的产生是基于爱因斯坦关于辐射的一般描述而提出的。请问爱因斯坦提出了几种辐射，其中那个辐射与激光的产生有关，为什么？答：有三种：自发辐射，受激辐射，受激吸收。其中受激辐射与激光的产生有关，因为受激辐射发出来的光子与外来光子具有相同的频率，相同的发射方向，相同的偏振态和相同的相位，是相干光。

激光原理与应用课试卷试题答案

激光原理及应用[陈家璧主编] 一、填空题（20分，每空1分） 1、爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是（自发辐射）、（受激吸收）、（受激辐射）。 2、光腔的损耗主要有（几何偏折损耗）、（衍射损耗）、（腔镜反射不完全引起的损耗）和材料中的非激活吸收、散射、插入物损耗。 3、激光中谐振腔的作用是（模式选择）和（提供轴向光波模的反馈）。 4、激光腔的衍射作用是形成自再现模的重要原因，衍射损耗与菲涅耳数有关，菲涅耳数的近似表达式为（错误！未找到引用源。），其值越大，则衍射损耗（愈小）。 5、光束衍射倍率因子文字表达式为（错误！未找到引用源。）。 6、谱线加宽中的非均匀加宽包括（多普勒加宽），（晶格缺陷加宽）两种加宽。 7、CO2激光器中，含有氮气和氦气，氮气的作用是（提高激光上能级的激励效率），氦气的作用是（有助于激光下能级的抽空）。 8、有源腔中，由于增益介质的色散，使纵横频率比无源腔频率纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做（频率牵引）。 9、激光的线宽极限是由于（自发辐射）的存在而产生的，因而无法消除。 10、锁模技术是为了得到更窄的脉冲，脉冲宽度可达（错误！未找到引用源。）S，通常有（主动锁模）、（被动锁模）两种锁模方式。二、简答题（四题共20分，每题5分） 1、什么是自再现？什么是自再现模？开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自在现摸 2、高斯光束的聚焦和准直，是实际应用中经常使用的技术手段，在聚焦透镜焦距F一定的条件下，画出像方束腰半径随物距变化图，并根据图示简单说明。 3、烧孔是激光原理中的一个重要概念，请说明什么是空间烧孔？什么是反转粒子束烧孔？ 4、固体激光器种类繁多，请简单介绍2种常见的激光器（激励方式、工作物质、能级特点、可输出光波波长、实际输出光波长）。三、推导、证明题（四题共40分，每题10分）

08激光原理与技术试卷B

华南农业大学期末考试试卷（B 卷） 2008～2009学年第一学期考试科目：激光原理与技术考试类型：（闭卷）考试时间：120分钟姓名年级专业学号一.填空题（每空2分，共30分） 1. 设小信号增益系数为0g ，平均损耗系数为α，则激光器的振荡条件为 g o > α 。 2. 相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。 3. 四能级系统中，设3E 能级向2E 能级无辐射跃迁的量子效率为1η，2E 能级向1E 能级跃迁的荧光效率为2η，则总量子效率为。。 4. 当统计权重21f f =时，两个爱因斯坦系数12B 和21B 的关系为 B 12=B 21 。 5. 从光与物质的相互作用的经典模型，可解释色散现象和物质对光的吸收现象。 6. 线型函数的归一化条件数学上可写成。 7. 临界腔满足的条件是 g1g2=1 或 g1g2=0 。 8. 把开腔镜面上的经过一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自再现模。 9. 对平面波阵面而言，从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅耳半周期带的数目称为菲涅耳数。

10. 均匀加宽指的是引起加宽的物理因素对各个原子是等同的, 。 11. 入射光强和饱和光强相比拟时，增益随入射光强的增加而减少，称增益饱和现象。 12．方形镜的mnq TEM 模式沿x 方向有 m 条节线，没y 方向有 n 条节线. 二.单项选择题（每题2分，共10分） 1. 关于高斯光束的说法，不正确的是（） (A)束腰处的等相位面是平面； (B)无穷处的等相位面是平面； (C)相移只含几何相移部分； (D)横向光强分布是不均匀的。 2. 下列各模式中，和圆型共焦腔的模q n m TEM ,,有相同频率的是（A ） (A)1,,2-+q n m TEM ； (B) q n m TEM ,,2+； (C) 1,,1-+q n m TEM ； (D) 1,1,2-++q n m TEM 。 3. 下列各种特性中哪个特性可以概括激光的本质特性（C ） (A)单色性； (B)相干性； (C)高光子简并度； (D)方向性。 4. 下列加宽机制中，不属于均匀加宽的是（B ） (A)自然加宽； (B)晶格缺陷加宽； (C)碰撞加宽； (D)晶格振动加宽。 5. 下列方法中，不属于横模选择的是（D ） (A)小孔光阑选模； (B) 非稳腔选模； (C) 谐振腔参数N g ,选择法； (D)行波腔法。三、简答题（每题4分，共20分）

《激光原理》本科期末考试试卷及答案

系、班姓名座号 ………………密……………封……………线……………密……………封……………线………………… 华中科技大学2012年《激光原理》期末试题(A) 题号一二三四总分复核人得分评卷人一. 填空: （每孔1分，共17分） 1. 通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈值高。 2. Nd:Y AG 激光器可发射以下三条激光谱线 946 nm 、 1319 nm 、 1064 nm 。其中哪两条谱线属于四能级结构 1319 nm 、 1064 nm 。 3. 红宝石激光器属于 3 几能级激光器。He-Ne 激光器属于 4 能级激光器。 4. 激光具有四大特性，即单色性好、亮度高、方向性好和相干性好 5. 激光器的基本组成部分激活物质、激光谐振腔、泵浦源。 6. 激光器稳态运转时，腔内增益系数为阈值增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子速率相等. 7. 调Q 技术产生激光脉冲主要有锁模、调Q 两种方法。二、解释概念：（共15分，每小题5分）(选作3题) 题号一二三合计得分 1. 基模高斯光束光斑半径：激光光强下降为中心光强21 e 点所对应的光斑半径. 2. 光束衍射倍率因子光束衍射倍率因子= 角基膜高斯光束远场发散基膜高斯光束束腰半径实际光束远场发散角实际光束束腰半径?? 3. 一般稳定球面腔与共焦腔的等价关系：一般稳定球面腔与共焦腔的等价性：任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价；任何一个稳定球面腔唯一地等价于一个共焦腔。三、问答题：（共32分，每小题8分）题号一二三四合计得分 1. 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组 ()()()()　Rl l l l l N N n f f n dt dN n n n n n A n W n s n dt dn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dt dn τυννσυννσ-???? ??-==++++-=++-???? ??--=+-=02111220321303001010 3232121202111 222313230303 ,, W 03 A 03 S 03 S 32 S 21 A 21 W 21 W 12 E 3 E 2 E 1 E 0

激光原理与技术习题

1.3 如果微波激射器和激光器分别在λ＝10μm ，＝5×10－ 1μm 输出1W 连续功率，试问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？解：若输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则：由此可得：其中346.62610J s h -=??为普朗克常数， 8310m/s c =?为真空中光速。所以，将已知数据代入可得： =10μm λ时： 19-1=510s n ? =500nm λ时： 18-1=2.510s n ? =3000MHz ν时： 23-1=510s n ? 1.4设一光子的波长＝5×10－ 1μm ，单色性λ λ ?＝10－ 7，试求光子位置的不确定量x ?。若光子的波长变为5×10－ 4μm （x 射线）和5 ×10 －18 μm （γ射线），则相应的x ?又是多少 m m x m m m x m m m x m h x h x h h μμλμμλμλλμλλ λλλλλλλλ 11171863462122 1051051051051051051055/105////0 /------?=?=???=?=?=???=?==?=???=?=?P ≥?≥?P ??=P?=?P =?P +P?=P 1.7如果工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105S － 1，试问：（1）该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10是多少？（2）为使受激跃迁几率比自发跃迁几率大三倍，腔内的单色能量密度ρ应为多少？ c P nh nh νλ==P P n h hc λ ν= =

1.8如果受激辐射爱因斯坦系数B10＝1019m3s－3w－1，试计算在（1）λ＝6 m（红外光）；（2）λ＝600nm（可见光）；（3）λ＝60nm（远紫外光）；（4）λ＝0.60nm（x射线），自发辐射跃迁几率A10和自发辐射寿命。又如果光强I＝10W/mm2，试求受激跃迁几率W10。 2.1证明，如习题图2.1所示，当光线从折射率η1的介质，向折射率为η2的介质折射时，在曲率半径为R的球面分界面上，折射光线所经受的变换矩阵为其中，当球面相对于入射光线凹（凸）面时，R取正（负）值。习题

激光原理与技术试题

2006-2007学年第1学期《激光原理与技术》B卷试题答案 1 .填空题（每题4分）[20] 1.1激光的相干时间T和表征单色性的频谱宽度△V之间的关系为 1/ c 1.2 一台激光器的单色性为5X10-10,其无源谐振腔的Q值是_2x109 1.3如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm的远紫外光，自发跃迁几率A10等于105S1，该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B10等于6x1010 m3^2^ 1.4设圆形镜共焦腔腔长L=1m，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz判断可能存在两个振荡频率。 1.5对称共焦腔的1（A D）_1_,就稳定性而言，对称共焦腔是稳定______________ 空。 2.问答题（选做4小题，每小题5分）[20] 2.1何谓有源腔和无源腔？如何理解激光线宽极限和频率牵引效应？有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关: 九'；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 n2t 2 ( C)h 0 ------------------- 。 n t Rut 频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 2.2写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n阈值反转粒子数密度为n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度n 2t n n ——-;四能级系统的上能级阈值粒子数密度2 n2t n t 。 2.3产生多普勒加宽的物理机制是什么？多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。 2.4均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同？分别对形成的激光振荡模式有何影响? 均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献，入射的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模在振荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都

激光原理试卷

广东工业大学考试试卷( A ) 课程名称: 激光原理与技术试卷满分100 分考试时间: 2007年6月18日 (第16周星期一) 一、选择题（每题3分，共30分） 1.世界上第一台激光器是（） (A)氦氖激光器． (B)二氧化碳激光器． (C)钕玻璃激光器． (D)红宝石激光器． (E)砷化镓结型激光器． 2.按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们所产生的光的特点是：（） (A)两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，原子受激辐射的光与入射光是不相干的． (B)两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射光是相干的． (C)两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射光是不相干的． (D)两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，原子受激辐射的光与入射光是相干的． 3．氦-氖激光器属于典型的（）系统（A ）二能级（B ）三能级（C ）四能级（D ）多能级 4．体积3 cm 1=V ，线宽nm 10=?λ，中心波长60nm ，模式数目为（） 20 201012104 (D) 102 (C) 104 (B) 102 )A (???? 5．多普勒加宽发生在（）介质中 6．半共心腔在稳定图上的坐标为（d ）（A ）（-1，-1）（B ）（0，0）（C ）（1，1）（D ）（0，1） 7．对于均匀增宽介质，中心频率处小信号增益系数为)00 (v G ，当s I I =时，饱和显著，非小信号中心频率增益系数为：（c ）（A ） )00 (v G （B ） )00 (2v G （C ） )00(21v G （D ） )00 (3 1v G 8．.一平凹腔,其凹面镜的半径R 等于腔长L,它是(b ) （A ）稳定腔（B ）临界腔（C ）非稳腔 9.能够完善解释黑体辐射实验曲线的是( c ) （A ）瑞利-金斯公式（B ）维恩公式（C ）普朗克公式（D ）爱因斯坦公式

激光原理与技术习题一样本

《激光原理与技术》习题一班级序号姓名等级一、选择题 1、波数也常见作能量的单位, 波数与能量之间的换算关系为1cm-1 = eV。 ( A) 1.24×10-7 (B) 1.24×10-6 (C) 1.24×10-5 (D) 1.24×10-4 2、若掺Er光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm, 则产生该波长的两能级之间的能量间隔约为 cm-1。 ( A) 6000 (B) 6500 (C) 7000 (D) 10000 3、波长为λ=632.8nm的He-Ne激光器, 谱线线宽为Δν=1.7×109Hz。谐振腔长度为50cm。假设该腔被半径为2a=3mm的圆柱面所封闭。则激光线宽内的模式数为个。 ( A) 6 (B) 100 (C) 10000 (D) 1.2×109 4、属于同一状态的光子或同一模式的光波是 . (A) 相干的 (B) 部分相干的 (C) 不相干的 (D) 非简并的二、填空题 1、光子学是一门关于、、光子的科学。 2、光子具有自旋, 而且其自旋量子数为整数, 大量光子的集合, 服从统计分布。 3、设掺Er磷酸盐玻璃中, Er离子在激光上能级上的寿命为10ms, 则其谱线宽度为。三、计算与证明题 1．中心频率为5×108MHz的某光源, 相干长度为1m, 求此光源的单色性参数及线宽。

2．某光源面积为10cm 2, 波长为500nm, 求距光源0.5m 处的相干面积。 3．证明每个模式上的平均光子数为 1 )/ex p(1-kT hv 。《激光原理与技术》习题二班级姓名等级一、选择题 1、在某个实验中, 光功率计测得光信号的功率为-30dBm, 等于 W 。 ( A) 1×10-6 (B) 1×10-3 (C) 30 (D) -30 2、激光器一般工作在状态. (A) 阈值附近 (B) 小信号 (C) 大信号 (D) 任何状态二、填空题 1、如果激光器在=10μm λ输出1W 连续功率, 则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是。 2、一束光经过长度为1m 的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍, 则该物质的增益系数为。三、问答题 1、以激光笔为例, 说明激光器的基本组成。 2、简要说明激光的产生过程。 3、简述谐振腔的物理思想。 4、什么是”增益饱和现象”? 其产生机理是什么? 四、计算与证明题 1、设一对激光能级为2E 和1E (设g 1=g 2), 相应的频率为ν(波长为λ), 能级上的粒子数密度分别为2n 和1n , 求 (a) 当ν=3000MHz , T=300K 时, 21/?n n =

激光原理习题 (详细)

1、光与物质相互作用的三个基本过程：自发辐射、受激辐射、受激吸收。 2、激光器的损耗指的是在激光谐振腔内的光损耗，这种损耗可以分为两类：内部损耗、镜面损耗。 3、形成激光的条件：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。 4、激光的四个基本特性：高亮度、方向性、单色性和相干性。 5、激光调制方法：内调制是指在激光生成的振荡过程中加载调制信号，通过改变激光的输出特性而实现的调制。外调制则是在激光形成以后，再用调制信号对激光进行调制，它并不改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光束的参数。就调制方法来讲，也有振幅调制、强度调制、频率调制、相位调制以及脉冲调制等形式。 6、三种谱线增宽形式：自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽。 7、单纵模激光器的选频方法：短腔法、法布里—珀罗标准具法、三反射镜法。 8、激光器的基本结构：激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光放大。激励能源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少高能级上的粒子数。光学谐振腔：提高光能密度，保证受激辐射大于受激吸收。 9、高斯光束的基膜腰斑半径（腰粗）公式：W 0= 2 1 W s = 2 1 π λL 简答题： 1、用速率方程组证明二能级系统不可能实现粒子数反转分布。

2、简述光频电磁场与物质的三种相互作用过程，并指出其影响因素。（画图说明）答:光与物质相互作用的本质是光与物质中的电子发生相互作用，使得电子在不同的能级之间跃迁。包括三种基本过程：自发发射、受激辐射以及受激吸收。 .自发发射——在无外电磁场作用时,粒子自发地从E2跃迁到E1,发射光子hv。(a)特点:各粒子自发、独立地发射的光子。各光子的方向、偏振、初相等状态是无规的, 独立的，粒子体系为非相干光源。受激辐射:——原处于高能级E2的粒子, 受到能量恰为hv=E2-E1的光子的激励, 发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1 。特点:①受激发射只能在频率满足hv=E2-E1的光子的激励下发生;②不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、偏振等状态相同; 这样,光场中相同光子数目增加,光强增大,即入射光被放大——光放大过程。受激吸收:——原处于低能级E1的粒子,受到能量恰为hv=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量,跃迁到高能级E2。 3、

激光原理复习题重点难点

《激光原理》复习第一部分知识点第一章激光的基本原理 1、自发辐射受激辐射受激吸收的概念及相互关系 2、激光器的主要组成部分有哪些？各个部分的基本作用。激光器有哪些类型？如何对激光器进行分类。 3、什么是光波模式和光子状态？光波模式、光子状态和光子的相格空间是同一概念吗？何谓光子的简并度？ 4、如何理解光的相干性？何谓相干时间，相干长度？如何理解激光的空间相干性与方向性，如何理解激光的时间相干性？如何理解激光的相干光强？ 5、EINSTEIN系数和EINSTEIN关系的物理意义是什么？如何推导出EINSTEIN 关系？ 4、产生激光的必要条件是什么？热平衡时粒子数的分布规律是什么？ 5、什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？ 6、如何定义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？ 7、什么是自激振荡？产生激光振荡的基本条件是什么？ 8、如何理解激光横模、纵模？第二章开放式光腔与高斯光束 1、描述激光谐振腔和激光镜片的类型？什么是谐振腔的谐振条件？ 2、如何计算纵模的频率、纵模间隔？ 3、如何理解无源谐振腔的损耗和Q值？在激光谐振腔中有哪些损耗因素？什么是腔的菲涅耳数，它与腔的损耗有什么关系？ 4、写出（1）光束在自由空间的传播；（2）薄透镜变换；（3）凹面镜反射 5、什么是激光谐振腔的稳定性条件？ 6、什么是自再现模，自再现模是如何形成的？ 7、画出圆形镜谐振腔和方形镜谐振腔前几个模式的光场分布图，并说明意义 8、基模高斯光束的主要参量：束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，镜面上光斑的大小？任意位置激光光斑的大小？等相位面曲率半径，光束的远场发散角，模体积 9、如何理解一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？如何计算一般稳定球面腔中高斯光束的特征 10、高斯光束的特征参数？q参数的定义？ 11、如何用ABCD方法来变换高斯光束？ 12、非稳定腔与稳定腔的区别是什么？判断哪些是非稳定腔。第三章电磁场与物质的共振相互作用 1、什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们的特点是什么？如何定义线宽和线型函数？什么是均匀加宽和非均匀加宽？它们各自的线型函数是什么？ 2、自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关？ 3、光学跃迁的速率方程，并考虑连续谱和单色谱光场与物质的作用和工作物质的线型函数。 4、画出激光三能级和四能级系统图，描述相关能级粒子的激发和去激发过程。建立相应能级系统的速率方程。 5、说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理。 6、描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应”，并说明它们的原理。

激光原理与技术习题一

《激光原理与技术》习题一班级序号姓名等级一、选择题 1、波数也常用作能量的单位，波数与能量之间的换算关系为1cm -1 = eV 。（A ）1.24×10-7 (B) 1.24×10-6 (C) 1.24×10-5 (D) 1.24×10-4 2、若掺Er 光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm ，则产生该波长的两能级之间的能量间隔约为 cm -1。（A ）6000 (B) 6500 (C) 7000 (D) 10000 3、波长为λ=632.8nm 的He-Ne 激光器，谱线线宽为Δν=1.7×109Hz 。谐振腔长度为50cm 。假设该腔被半径为2a=3mm 的圆柱面所封闭。则激光线宽内的模式数为个。（A ）6 (B) 100 (C) 10000 (D) 1.2×109 4、属于同一状态的光子或同一模式的光波是 . (A) 相干的 (B) 部分相干的 (C) 不相干的 (D) 非简并的二、填空题 1、光子学是一门关于、、光子的科学。 2、光子具有自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从统计分布。 3、设掺Er 磷酸盐玻璃中，Er 离子在激光上能级上的寿命为10ms ，则其谱线宽度为。三、计算与证明题 1．中心频率为5×108MHz 的某光源，相干长度为1m ，求此光源的单色性参数及线宽。 2．某光源面积为10cm 2，波长为500nm ，求距光源0.5m 处的相干面积。 3．证明每个模式上的平均光子数为 1 )/exp(1 kT hv 。

《激光原理与技术》习题二班级姓名等级一、选择题 1、在某个实验中，光功率计测得光信号的功率为-30dBm ，等于 W 。（A ）1×10-6 (B) 1×10-3 (C) 30 (D) -30 2、激光器一般工作在状态. (A) 阈值附近 (B) 小信号 (C) 大信号 (D) 任何状态二、填空题 1、如果激光器在=10μm λ输出1W 连续功率，则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是。 2、一束光通过长度为1m 的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，则该物质的增益系数为。三、问答题 1、以激光笔为例，说明激光器的基本组成。 2、简要说明激光的产生过程。 3、简述谐振腔的物理思想。 4、什么是“增益饱和现象”？其产生机理是什么？四、计算与证明题 1、设一对激光能级为2E 和1E (设g 1=g 2)，相应的频率为ν(波长为λ)，能级上的粒子数密度分别为2n 和1n ，求 (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当λ=1μm ，T=300K 时，21/?n n = (c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时，温度T=？ 2、设光振动随时间变化的函数关系为（v 0为光源中心频率），试求光强随光频变化的函数关系，并绘出相应曲线。 ???<<=其它,00),2exp()(00c t t t v i E t E π

激光原理试卷集锦

1：腔模，横模，纵模。腔模：在具有一定边界条件的腔内，电磁场只能存在于一系列分立的本征状态之中。将谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称为腔的模式。横模：在垂直于腔轴的横截面内的稳定场分布称为谐振腔的横模。镜面上各点场的振幅按同样的比例衰减,各点的相位发生同样大小的滞后。这种在腔反射镜面上形成的经过一次往返传播后能自再现的稳定场分布称为自现模或横模。纵模：腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模。在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向(纵向)形成驻波，驻波的波节数由q决定。通常将由整数q所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模。 2：频率牵引。答：有源腔中的纵模频率总是比无源腔中同序列纵模频率更接近工作物质的中心频率，这种现象称为频率牵引。 3：光学谐振腔的作用是什么？答：①提供轴向光波模的光学正反馈。②控制振荡模式的特性。 4：对称共焦腔镜面上基模的特点是什么？答： ①基模为高斯分布,镜面中心光最大,向边缘平滑降落。 ②光斑的大小与反射镜的横向尺寸无关, 与波长和腔长有关(是共焦腔的一个重要特性。当然,这一结论只有在模的振幅分布可以用厄米-高斯函数近似表述的情况下才是正确)。 ③高斯光束的能量主要集中在束腰内部。 5：LD半导体的PN结实现粒子数目反转分布条件是什么？LD激光器的泵浦方式有哪些？答：①掺杂浓度足够高，使准Fermi能级分别进入导带和价带。 ②正向偏压V足够高，使eV>E g,从而E C F —E v F =eV>hv。电注式，光泵浦，高能电子束 6：固体激光器激活介质的激光性质主要指什么？它们分别在固体激光设计时，决定什么？答：能级结构，吸收光谱，荧光光谱①能级结构：晶体的激光性质主要取决于Cr3+。Cr的外层电子组态为3d5 4s1 ,掺入Al2 O3 后失去3个电子,剩下3d壳层上3个外层电子(3d3 )。 ②吸收光谱：由于红宝石死各向异性晶体，故其吸收特性与光的偏振状态有关。 ③荧光光谱：红宝石晶体有两条强荧光谱线,分别称为R1线和R2线。 R1 线中心波长为694.3nm,对应于E→4 A2 能级的自发辐射跃迁。 R2 线中心波长为692.9nm,对应于2A→ 4A2 能级的自发辐射跃迁。 7：常见的临界腔有哪些？其判定条件分别是什么？答： 8：简并能级，简并度答：简并能级：电子可以有两个或两个以上的不同运动状态具有相同的能级. 简并度：同一能级对应不同的电子状态的数目（处于同一光子太、态的光子数称为光源的光子简并度） 9：He—Ne激光器放电毛细管内径要很小的主要原因是什么？答：Ne原子激光下能级2p和3p向基态的跃迁为选择定则所禁戒，粒子只能通过字发辐射跃迁到1s能级。由于1s能级向基态的跃迁也属禁戒，因此1s能级的Ne原子只有扩散到放电管管壁，通过与管壁碰撞释放能量后方能返回基态，称为“管壁效应”。激光下能级如不能被较快抽空，将会造成粒子的堆积，形成“瓶颈效应”。

激光原理与激光技术习题

激光原理与激光技术习题答案习题一 (1)为使氦氖激光器的相干长度达到1m ，它的单色性?λ/λ应为多大？解： 1010 1032861000 106328--?=?=λ=λ λ?=.L R c (2) λ=5000?的光子单色性?λ/λ=10-7，求此光子的位置不确定量?x 解： λ=h p λ?λ=?2h p h p x =?? m R p h x 510 1050007 10 2=?=λ=λ?λ=?=?-- (3)CO 2激光器的腔长L=100cm ，反射镜直径D=1.5cm ，两镜的光强反射系数分别为r 1=0.985,r 2=0.8。求由衍射损耗及输出损耗分别引起的δ、τc 、Q 、?νc (设n=1) 解：衍射损耗: 1880107501 106102 262.) .(.a L =???=λ=δ-- s ..c L c 881075110318801-?=??=δ=τ 6 86 8 10113107511061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 19101910 75114321216 8 =?=???=πτ= ν?- 输出损耗: 119080985050212 1.)..ln(.r r ln =??-=-=δ s ..c L c 8 81078210 311901-?=??=δ=τ 6 86810 964107821061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 7510751078214321216 8 =?=???=πτ= ν?- (4)有一个谐振腔，腔长L=1m ，两个反射镜中，一个全反，一个半反，半反镜反射系数r=0.99，求在1500MHz 的范围内所包含的纵模个数，及每个纵模的线宽(不考虑其它损耗) 解： MHz Hz .L c q 15010511 2103288=?=??==ν? 11]11501500 []1[=+=+ν?ν?=?q q 005.02 01 .02=== T δ s c L c 781067.610 3005.01 -?=??== δτ MHz c c 24.010 67.614.321 217 =???= = -πτν? (5) 某固体激光器的腔长为45cm ，介质长30cm ，折射率n=1.5，设此腔总的单程损耗率0.01π，求此激光器的无源腔本征纵模的模式线宽。

激光原理试题

物理专业2006级本科《激光原理及应用》期末试题（A卷答案）一、简答题 1.激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分答：激光工作物质、激励能源（泵浦）和光学谐振腔； 2.物质的粒子跃迁分辐射跃迁和非辐射跃迁，简述这两种跃迁的区别。答：粒子能级之间的跃迁为辐射跃迁，辐射跃迁必须满足跃迁定则；非辐射跃迁表示在不同的能级之间跃迁时并不伴随光子的发射或吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给他的能量。 3.激光谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，简述这两种加宽的产生机理、谱线的基本线型。答：如果引起加宽的物理因数对每一个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽。自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。非均匀加宽是原子体系中每一个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献。多普勒加宽和固体晶格缺陷属于非均匀加宽。 4.简述均匀加宽的模式竞争答：在均匀加宽的激光器中，开始时几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中相互竞争，结果总是靠近中心频率的一个纵模获胜，形成稳定的振荡，其他的纵模都被抑制而熄灭。这种情况叫模式竞争。 5.工业上的激光器主要有哪些应用为什么要用激光器答：焊接、切割、打孔、表面处理等等。工业上应用激光器主要将激光做热源，利用激光的方向性好，能量集中的特点。 6.说出三种气体激光器的名称，并指出每一种激光器发出典型光的波长和颜色。答：He-Ne激光器，（红光），Ar+激光器，（绿光），CO2激光器，μm（红外） 7.全息照相是利用激光的什么特性的照相方法全息照相与普通照相相比有什么特点答：全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三维成像，记录的是物体的相位。二、证明题：（每题6分，共18分） 1.证明：由黑体辐射普朗克公式 3 3 81 1 h KT h c e νν πν ρ= - 导出爱因斯坦基本关系式： 3 21 3 21 8 A h n h B cν πν ν== 三、计算题 1．由两个凹面镜组成的球面腔，如图。凹面镜的曲率半径分别为2m、3m，腔长为1m。发光波长600nm。（1）求出等价共焦腔的焦距f；束腰大小w0及束腰位置；（2）求出距左侧凹面镜向右米处的束腰大小w及波面曲率半径R；解: (0) 激光腔稳定条件

激光原理与技术09级A卷含答案

题号一二三四总分阅卷人得分得分 2011 ─2012学年第 2 学期长江大学试卷院（系、部）专业班级姓名学号 …………….……………………………. 密………………………………………封………………..…………………..线…………………………………….. 《激光原理与技术》课程考试试卷( A卷)专业：应物年级2009级考试方式：闭卷学分4.5 考试时间：110 分钟相关常数：光速：c=3×108m/s, 普朗克常数h =6.63×10-34Js, 101/5=1.585 一、选择题 (每小题 3 分，共 30 分) 1. 掺铒光纤激光器中的发光粒子的激光上能级寿命为10ms ，则其自发辐射几率为。（A ）100s -1 (B) 10s -1 (C) 0.1s -1 (D) 10ms 2. 现有一平凹腔R 1→∞，R 2=5m ，L =1m 。它在稳区图中的位置是。(A) (0, 0.8) (B) (1, 0.8) (C) (0.8, 0) (D) (0.8, 1) 3. 图1为某一激光器的输入/输出特性曲线，从图上可以看出，该激光器的斜效率约为。

(A) 10% (B) 20% (C) 30% (D) 40% 图1 图2 4．图2为某一激光介质的吸收与辐射截面特征曲线，从图上可以看出，该激光介质可用来产生的激光。

得分 (A) 只有1532 nm (B)只能在1532 nm 附近 (C) 只能在1530 nm-1560nm 之间 (D) 1470 nm-1570nm 之间均可 A 卷第 1 页共 6 页 5. 电光晶体具有“波片”的功能，可作为光波偏振态的变换器，当晶体加上V λ/2电场时，晶体相当于。（A ）全波片 (B) 1/4波片 (C) 3/4波片 (D) 1/2波片 6. 腔长3m 的调Q 激光器所能获得的最小脉宽为。（设腔内介质折射率为1）（A ）6.67ns (B) 10ns (C) 20ns (D) 30ns 7. 掺钕钇铝石榴石（Y 3Al 5O 12）激光器又称掺Nd 3+:YAG 激光器，属四能级系统。其发光波长为。（A ） 1.064μm （B ）1.30μm （C ） 1.55μm （D ）1.65μm 8. 在采用双包层泵浦方式的高功率光纤放大器中，信号光在中传输。（A ）纤芯（B ）包层（C ）纤芯与包层（D ）包层中（以多模） 9. 脉冲透射式调Q 开关器件的特点是谐振腔储能调Q ，该方法俗称。（A ）漂白（B ）腔倒空 (C ）锁模（D ）锁相 10. 惰性气体原子激光器，也就是工作物质为惰性气体如氩、氪、氙、氖等。这些气体除氙以外增益都较低，通常都使用氦气作为辅助气体，借以。 (A ）降低输出功率 (B ）提高输出功率 C ）增加谱线宽度（D ）减小谱线宽度二、填空题 (每小题 3 分，共 30 分) 1. 在2cm 3空腔内有一带宽为1×10-4μm ，波长为0.5μm 的跃迁，此跃迁的频率范围是 120 GHz 。 2. 稳定球面腔与共焦腔具有等价性，即任何一个共焦腔与无穷多个稳定

激光原理与技术试题答案

2006-2007学年第1学期《激光原理与技术》B 卷试题答案 1．填空题(每题4分)[20] 激光的相干时间τc 和表征单色性的频谱宽度Δν之间的关系为___1c υτ?= 一台激光器的单色性为5x10-10，其无源谐振腔的Q 值是_2x109 如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105 S -1，该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10等于_____6x1010 m 3s -2J -1 设圆形镜共焦腔腔长L=1m ，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz ，判断可能存在_两_个振荡频率。对称共焦腔的 =+)(2 1 D A _-1_，就稳定性而言，对称共焦腔是___稳定_____腔。 2. 问答题(选做4小题，每小题5分)[20] 何谓有源腔和无源腔如何理解激光线宽极限和频率牵引效应有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关：122' c R c L δ υπτπ?= = ；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 220 2()t c s t out n h n P πυυυ?= ?。频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n ，阈值反转粒子数密度为 n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度22 t t n n n += ；四能级系统的上能级阈值粒子数密度2t t n n ≈。产生多普勒加宽的物理机制是什么多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同分别对形成的激光振荡模式有何影响均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献，入射的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模

激光原理例题

第四章思考与练习题 1.光学谐振腔的作用。是什么 2.光学谐振腔的构成要素有哪些，各自有哪些作用 3.CO2激光器的腔长L＝1.5m，增益介质折射率n＝1，腔镜反射系数分别为r1＝，r2＝，忽略其它损耗，求该谐振腔的损耗δ，光子寿命Rτ，Q值和无源腔线宽ν?。 4.证明：下图所示的球面折射的传播矩阵为 ?? ? ? ? ? ? ? - 2 1 2 1 2 1 η η η η η R 。折射率分别为 2 1 ,η η的两介质分界球面半径为R。 5.证明：下图所示的直角全反射棱镜的传播矩阵为 ? ? ? ? ? ? ? ? - - - 1 2 1 η d 。折射率为n的棱镜高d。 6.导出下图中1、2、3光线的传输矩阵。

R 7. 已知两平板的折射系数及厚度分别为n 1，d 1，n 2，d 2。(1)两平板平行放置，相距l ，(2) 两平板紧贴在一起，光线相继垂直通过空气中这两块平行平板的传输矩阵，是什么 8. 光学谐振腔的稳定条件是什么，有没有例外谐振腔稳定条件的推导过程中，只是要求光线相对于光轴的偏折角小于90度。因此，谐振腔稳定条件是不是一个要求较低的条件，为什么 9. 有两个反射镜，镜面曲率半径，R 1=－50cm ，R 2=100cm ，试问： (1)构成介稳腔的两镜间距多大 (2)构成稳定腔的两镜间距在什么范围 (3)构成非稳腔的两镜间距在什么范围 10. 共焦腔是不是稳定腔，为什么 11. 腔内有其它元件的两镜腔中，除两腔镜外的其余部分所对应传输矩阵元为ABCD ，腔镜曲率半径为1R 、2R ，证明：稳定性条件为1201g g <<，其中11/g D B R =-；22/g A B R =-。 12. 试求平凹、双凹、凹凸共轴球面镜腔的稳定性条件。 13. 激光器谐振腔由一面曲率半径为1m 的凸面镜和曲率半径为2m 的凹面镜组成，工作物质长0.5m ，其折射率为，求腔长L 在什么范围内是稳定腔。 14. 如下图所示三镜环形腔，已知l ，试画出其等效透镜序列图，并求球面镜的曲率半径R 在什么范围内该腔是稳定腔。图示环形腔为非共轴球面镜腔，在这种情况下，对于在由光轴组成的平面内传输的子午光线，f = R cos /2，对于在于此垂直的平面内传输的弧矢光线，f = R/(2cos)，为光轴与球面镜法线的夹角。

激光原理试题

1） CO2激光器的腔长L=100cm ，反射镜直径D=，两镜的光强反射系数分别为r1=,r2=。求由衍射损耗及输出损耗分别引起的c c Q υτδ?,,，。(设n=1) 2）红宝石调Q 激光器中有可能将几乎全部的Cr+3激发到激光上能级，并产生激光巨脉冲。设红宝石棒直径为1cm ，长为，Cr+3的浓度为39cm 102-?2 ，脉冲宽度10ns ，求输出激光的最大能量和脉冲功率。 3）氦氖激光器放电管长l=，直径d=，两镜反射率分别为100%、98%，其它单程损耗率为，荧光线宽MHz 1500d =?υ。求满足阈值条件的本征模式数。（d G 1 1034 m -?=） 4）入射光线的坐标为r1=4cm ，1=弧度,求分别通过焦距大小都为F=的凸、凹透镜后的光线坐标。 5）有一个凹凸腔，腔长L=30cm ，两个反射镜的曲率半径大小分别为R1= 50cm 、R2=30cm ，如图所示，使用He-Ne 做激光工作物质。①利用稳定性条件证明此腔为稳定腔 ②此腔产生的高斯光束焦参数 ③此腔产生的高斯光束的腰斑半径及腰位置 ④此腔产生的高斯光束的远场发散角。 6）某激光器（m 9.0μλ==）采用平凹腔，腔长L=1m ，凹面镜曲率半径R=2m 。求①它产生的基模高斯光束的腰斑半径及腰位置②它产生的基模高斯光束的焦参数③它产生的基模高斯光束的远场发散角答案

1）解：衍射损耗: 188.0)1075.0(1 106.102 262=???==--a L λδ s c L c 8 81075.110 3188.01-?=??== δτ 6 86 81011.31075.1106.1010314.322?=??????==--c Q πντ MHz Hz c c 1.9101.91075.114.321 2168 =?=???= = ?-πτν 输出损耗: 119.0)8.0985.0ln(5.0ln 212 1=??-=-=r r δ s c L c 881078.210 3119.01 -?=??== δτ 6 86 8 1096.41078.2106.1010314.322?=??????==--c Q πντMHz Hz c c 7.5107.510 78.214.32121 6 8 =?=???= = ?-πτν 2）解： 10 8 34 152210694310310 6.631020.0750.0053.14--??? ??????===ν?πν?h L r V h W J 9103.4-?= W t W P 34.010 10104.39 9 =??==-- 3)解：025.0015.02 02.0015.02 =+=+=T δ mm l G t /1105500 025.05-?===δ mm d G m /11025 .110310344 4 ---?=?=?= 410 510254 =??==--t m G G α MHz D T 21212 ln 4 ln 15002ln ln =?=?=?α νν MHz L c q 3005 .0210328=??==?ν 8]1300 2121 []1[ =+=+??=?q T q νν