激光原理实验题目

激光原理实验题目
激光原理实验题目

实验一:氦氖激光器

1.氦氖激光功率与发散角的测量实验

2.氦氖激光功率稳定性测量实验

实验二:

1.氦氖激光器模式竞争观测与测量实验

2.氦氖激光器偏振特性的测量实验

3.氦氖激光横模(单横模,多横模)变换与光束测量实验(?)

实验三:

1.氦氖激光高斯光束参数测量(束腰位置,高斯光强分布,质心位置,瑞利长度,远场发散角)实验;

2.高斯光束变换(准直,扩束,聚焦)与测量实验

实验四:(暂不做)

1.氦氖激光器谐振腔的观察及调整实验

实验五:半导体泵浦固体激光器

1.半导体泵浦固体激光器的工作原理和调试方法

2.研究激光器的倍频效应及其测量实验(532mn)

3.激光倍频匹配角选择实验(测量532mn绿光功率比较选出最佳角度)实验六:

2.半导体泵浦固体激光器阈值测量及功-功转换效率测量实验(1064mn)

3.研究腔长和不同透过率对固体激光器效率的影响(1064mn)

实验七:

6.LD泵浦固体激光器光斑尺寸的测量实验

7.LD泵浦固体激光器远场发散角的测量实验

半导体泵浦固体激光器注意事项

1.半导体激光器(LD)对环境有较高要求,因此本实验系统需放置于洁净实验室内。实验完成后,应及时盖上仪器罩,以免LD沾染灰尘。

2.LD对静电非常敏感。所以严禁随意拆装LD和用手直接触摸LD外壳。如果确实需要拆装,请带上静电环操作,并将拆下的LD两个电极立即短接。

3.不要自行拆装LD电源。电源如果出现问题,请与产家联系。同时,LD电源的控制温度已经设定,对应于LD的最佳泵浦波长,请不要自行更改。

4.LD、耦合系统、激光晶体,两两滑块之间距离大约为32mm、8mm,经调整好以后最好不要随意变动,以免影响实验使用。

5.准直好光路后需用遮挡物(如功率计或硬纸片)挡住准直器,避免准直器被输出的红外激光打坏。

6.实验过程避免双眼直视激光光路。人眼不要与光路处与同一高度,最好能带上激光防护镜操作。

实验八:半导体激光器

1.半导体激光器的特性测量(I-P特性曲线、发散角、偏振度等)

注意:半导体激光器的 p-n结非常薄,极易被击穿,所以在开、关半导体激光器的电源时,一定要防止浪涌电流的产生,否则将有可能损坏半导体激光器。开启时,先开电源开关,再开电流开关。

关闭时,先将电流调节旋钮逆时针旋转到底,使输出电流最小(最小输出电流大于0mA,切勿用力调节旋钮),再关电流开关,最后关闭电源开关。

2.实验过程中,实验者不可以直视激光束,以免眼睛受到损伤。

3.半导体激光器不能承受电流或电压的突变。若使用不当容易损坏。当电路接通时,半导体激光器的注入电流必须缓慢地上升,不要超过65mA,以防半导体激光器损坏。使用完毕,必须将半导体激光器的注入电流降回零。

4.静电感应对半导体激光器也有影响。如果需要用手触摸半导体激光器外壳或电极时,手必须事先触摸金属一下。

5.周围的大型设备的启动和关闭极易损坏半导体激光器,遇到这种情况时,应先将半导体激光器的注入电流降低到零,然后再开关电器。

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。

半导体泵浦激光原理实验

半导体泵浦激光原理实验 理工学院光信息2班贺扬10329064 合作人:余传祥 【实验目的】 1、了解与掌握半导体泵浦激光原理及调节光路方法。 2、掌握腔内倍频技术,并了解倍频技术的意义。 3、掌握测量阈值、相位匹配等基本参数的方法。 【实验仪器】 808nm半导体激光器、半导体激光器可调电源、晶体、KTP倍频晶体、输出镜(前腔片)、光功率指示仪 【实验原理】 激光的产生主要依赖受激辐射过程。 处于激发态的原子,在外的光子的影响下,从高能态向低能态跃迁,并在两个状态的能量差以辐射光子的形式发出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时,才能引起受激辐射,且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。 激光器主要有:工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。 泵浦过程使粒子从基态抽运到激发态,上的粒子通过无辐射跃迁,迅速转移到亚稳态。是一个寿命较长的能级,这样处于的粒子不断累积,上的粒子又由于抽运过程而减少,从而实现与能级间的粒子数反转。 激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定性而自发辐射到基态,自发辐射产生的光子各个方向都有,只有沿轴向的光子,部分通过输出镜输出,

部分被反射回工作物质,在两个反射镜间往返多次被放大,形成受激辐射的光放大即产生激光。 激光倍频是将频率为的光,通过晶体中的非线性作用,产生频率为的光。 当外界光场的电场强度足够大时(如激光),物质对光场的响应与场强具有非线性关系: 式中均为与物质有关的系数,且逐次减小。 当E很大时,电场的平方项不能忽略。 ,直流项称为光学整流,当激光以一定角度入射到倍频晶体时,在晶体产生倍频光,产生倍频光的入射角称为匹配角。 倍频光的转换效率为倍频光与基频光的光强比,通过非线性光学理论可以得到: 式中L为晶体长度,、分别为入射的基频光、输出的倍频光光强。 在正常色散情况下,倍频光的折射率总是大于基频光的折射率,所以相位失配,双折射晶体中的o光和e光折射率不同,且e光的折射率随着其传播方向与光轴间夹角的变化而改变,可以利用双折射晶体中o光、e光间的折射率差来补偿介质对不同波长光的正常色散,实现相位匹配。 【实验装置】 图2 实验装置示意图

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)

激光原理实验

激光技术及应用实验 Lasers Experiments 一、实验课简介 本课程是面向应用物理学专业学生开设的一门学科基础课程,在第五学期开设。本实验是在本科生接受了大学物理等系统实验方法和实验技能训练的基础上开设的,主要与理论课程《激光技术与应用》同步,训练学生的自主设计能力。该课程具有丰富的实验思想、方法、手段,同时能提供综合性很强的基本实验技能训练,是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。 二、实验课目标 进一步加强学生的基本科学实验技能的培养,提高学生的科学实验基本素质,并与理论课程的教学融汇贯通,加深对理论课程学习的理解。通过本课程的学习,要使学生熟悉激光器的基本工作原理、激光振荡及放大的条件、高斯光束的变换,熟练使用几种常用激光器,如氦氖激光器、半导体激光器、脉冲激光器和可调谐燃料激光器。使学生通过实际动手操作,掌握激光器的一般构造,加深对激光特性的理解,了解激光在精密测量中的使用。 培养学生的科学思维和创新意识,使学生掌握实验研究的基本方法,提高学生的分析能力和创新能力。提高学生的科学素养,培养学生积极主动的探索精神,遵守纪律,团结协作的优良品德。 三、实验课内容 实验项目一:气体激光器(3学时) 1. 实验属性:综合性实验。 2. 开设要求:必开。 3. 教学目标: (1)掌握气体激光器的主要结构和原理; (2)掌握气体激光器的调节方法; (2)了解激光输出的特性及其测量; (3)了解高斯光束的传播规律,掌握光束基本特性的测量。 4. 主要实验仪器设备:游标卡尺、开放式He-Ne激光器等。 5. 实验内容(至少做两个子项目): (1)调节He-Ne激光器的谐振腔镜,获得激光稳定输出; (2)测量激光光束的发散角和束腰半径(选作); (3)测量激光激励电压与激光输出功率之间的相互关系(选作); (4)进行简单的高斯光束变换(选作)。 实验项目二:固体连续激光器(3学时) 1. 实验属性:综合性实验。 2. 开设要求:必开。 3. 教学目标:

《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

激光原理实验(山科大)

实验一 He-Ne 激光器模式分析 (一)实验目的与要求 目的:使学生了解激光器模式的形成及特点,加深对其物理概念的理解;通过测试分析,掌握模式分析的基本方法。对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪,了解其原理,性能,学会正确使用。 要求:用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne 激光器的相邻纵横模间隔,判别高阶横模的阶次;观察激光器的频率漂移记跳模现象,了解其影响因素;观察激光器输出的横向光场分布花样,体会谐振腔的调整对它的影响。 (二)实验原理 1.激光器模的形成 我们知道,激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式,在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布,由于自发辐射和受激辐射的作用, 将有一定频率的光波产生,在腔内传播, 并被增益介质逐渐增强、放大,如图1-1所示。实际上,由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响,增益介质的增益有一个频率分布,如图1-2所示,图中)(νG 为光的增益系数。只有频率落在这个范围 内的光在介质中传播时,光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大,还不足以产生激光,要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈,使光在多次往返传播中 图 1-1 粒子数反转分布 形成稳定、持续的振荡。形成持续 振荡的条件是,光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍,即 q q L λμ=2 (1-1) 式中,μ为折射率,对气体μ≈1;L 为腔长;q 为正整数。这正是光波相干的极大条件,满足此条件的光将获得极大增强。每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布,叫作一个纵模,q 称作纵模序数。q 是一个很大

的数,通常我们不需要知道它的数值,而关心的是有几个不同的q 值,即激光器有几个不同的纵模。从(2-1)式中,我们还看出,这也是驻波形成的条件,腔内的纵模是以驻波形式 存在的, q 值反映的恰是驻波波腹的 图 1-2 光的增益曲线 数目,纵模的频率为 L c q q μν2= (1-2) 同样,一般我们不去求它,而关心的是相邻两个纵模的频率间隔 L c L c q 221≈ = ?=?μν (1-3) 从(2-3)式中看出,相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比,即腔越长,相邻纵模频率间隔越小,满足振荡条件的纵模个数越多;相反,腔越短,相邻纵模频率间隔越大,在同样的增益曲线范围内,纵模个数就越少。因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。 光波在腔内往返振荡时,一方面有增益,使光不断增强;另一方面也存在着多种损耗, 使光强减弱,如介质的吸收损耗、散射损耗、 镜面的透射损耗、放电毛细管的衍射损耗等。所以,不仅要满足谐振条件,还需要增益大于各种损耗的总和,才能形成持续振荡,有激光输出。如图2-3所示,有五个纵模满足谐振条件,其中有两个纵模的增益小于损耗,所以,有三个纵模形成持续振荡。对于纵模的观测,由于q 值很大,相邻纵模频率差异很小,一般的分光仪器无法分辨,必须使用 精度较高的检测仪器才能观测到。 谐振腔对光多次反馈,在纵向形成不同的场分布,那么对横向是否也会产 生影响呢?回答是肯定的,这是因为光每经过放电毛细管反馈一次,就相当于一次 图 1-3 纵模和纵模间隔 衍射,多次反复衍射,就在横向形成了一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布,称为一个横模。图2-4中,给出了几种常见的基本横模光斑图样。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本

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

激光原理试卷

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

激光原理实验

激光原理实验 指导老师陈钢 1实验目的:加深对激光原理理论概念的认识和理解,培养实验动手能力。 2实验内容: (1)谐振腔参数认识、调节,调节外腔式He-Ne激光器,使其激光输出,并达到最大值,记录相关实验结果,包括工作电流和激光功率; (2)光学谐振腔的稳定范围; (3)激光输出功率随激光管在腔内位置变化的关系; (4)波长选择,通过选频元件,调出可能的5条谱线,记录波长和相对功率; (5)横模特征观测与判断。 此5个内容,第一个大家都要做一遍,其余四个选两个做,但最好分配好,把每个内容 都做到。 3实验原理: 实验从调整基本装置开始,这部分内容老师讲解。只要调整好基本装置,就可以开始下面的各项实验。 3.1光学稳定性 He-Ne激光器的光学谐振腔是根据激活介质Ne以及所要求的光束质量而设计的。 稳定性的目标就是要获得尽可能好的光束输出,也就是基模高斯光束TEM 00模式。 一般来说,要获得高功率输出和较好的光束质量是两个相矛盾的要求,因为高功率输出需要较大的激活体积,而基模运转时的激活体积却被限制在他所要求的模体积之内。这也 就说明了为什么平凹腔对He-Ne激光器是最佳的结构。 3.2光学谐振腔的稳定范围; 实验可以这样进行,在激光稳定运转过程中,通过改变球面镜的位置,直到激光不能产生为止。球面镜位置改变的具体方法为:把球面镜调节支架上的固定螺丝轻微松动,同时又 使得它能够在轨道上保持静止不动。位置改变过程尽量保持不要破坏激光的振荡。重新固定 调节支架到新的位置,并且通过调节球面镜的垂直和水平调节螺丝,使得激光功率重新达到 最大值。重复这些过程,直到达到一个不能获得激光震荡的新位置为止。测量此时两面镜子 的距离,并与由稳定性条件给出的最大距离L进行比较。 0乞g l乜2乞1 g i =1and g2 =1 丄 R i R2 12 实验的测量方法如下,松开激光管支架的固定螺丝,使得它的位置可以在轨道上改变。第一步准直已经调节好了,在这个实验中要保证激光管支架的机械轴要和准直光给出的光轴

激光原理及应用思考练习题答案

思考练习题1 1. 试计算连续功率均为1W 的两光源,分别发射λ=0.5000μm ,ν=3000MHz 的光,每秒 从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少? 答:粒子数分别为:18 8 34634110 5138.21031063.6105.01063.61?=????=? ?= =---λ ν c h q n 23 9 342100277.510 31063.61?=???==-νh q n 2.热平衡时,原子能级E 2的数密度为n 2,下能级E 1的数密度为n 1,设21g g =,求:(1)当原子跃迁时相应频率为ν=3000MHz ,T =300K 时n 2/n 1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长λ=1μ,n 2/n 1=0.1时,则温度T 为多高? 答:(1)(//m n E E m m kT n n n g e n g --=)则有:1]300 1038.110 31063.6exp[2393412≈?????-==---kT h e n n ν (2)K T T e n n kT h 36238 34121026.61.0]1011038.11031063.6exp[?=?=???????-==----ν 3.已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为1.64×l0- 18J ,设火焰(T =2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布,且4g 1=g 2。求:(1)能级E 2上的原子数n 2为多少?(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2,求光的功率为多少瓦? 答:(1)1923 181221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且20 2110=+n n 可求出312≈n (2)功率=W 918 8 10084.51064.13110--?=??? 4.(1)普通光源发射λ=0.6000μm 波长时,如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比 q q 激自 1 = 2000 ,求此时单色能量密度νρ为若干?(2)在He —Ne 激光器中若34/100.5m s J ??=-νρ,λ为0.6328μm ,设μ=1,求 q q 激自 为若干? 答:(1)

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。

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