2011年“激光原理与技术”期末考试B卷(答案)

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……

电子科技大学2010 -2011 学年第 2 学期期 末 考试 B 卷

一. 选择题（单选）（共20分，共10题，每题2分)

1、与普通光源相比，下列哪项是激光的优势 D 。

A 、相干性好

B 、发散角小

C 、谱线窄

D 、以上都是 2、要产生激光下列哪个条件不是必需具备的___D___。 A 、实现集居数反转（粒子数反转）B 、受激辐射跃迁 C 、具有增益介质 D 、谐振腔为稳定腔 3、下列谱线加宽方式中，不属于均匀加宽的是 B 。

A 、自然加宽

B 、多普勒加宽

C 、晶格振动加宽

D 、碰撞加宽 4、从输出光束特性考虑，一个稳定腔等价于无穷个 A 。 A. 稳定腔 B.临界腔 C. 共焦腔 D. 非稳腔

5、若激光器输出为某一模式的厄米特-高斯光束，且其两个主轴方向上的M 2值为5和3，则该模式可能为 D 。 A 、TEM 01 B 、TEM 11 C 、TEM 31 D 、TEM 21

6、下列腔型中，肯定具有共轭像点的是 C （非稳腔） 。

A 、

B 、

C 、

D 、

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……

7、可以利用下列哪种损耗进行模式选择 B 。 A 、腔镜不完全反射损耗 B 、衍射损耗 C 、材料中的非激活吸收损耗 D 、以上都不对

8、在振幅调制锁模激光器中，若损耗调制器紧贴腔镜放置且腔长为L , 光速为c , 则损耗调制信号的角频率为___C___。

A 、L c π2

B L

c π C 、L c 2π D 、L c 4π

9、KDP 晶体横向电光调制的主要缺点为__C___。 A 、半波电压太高B 、调制带宽低

C 、存在着自然双折射引起的相位延迟

D 、调制频率较高时,功率损耗比较大 10、下列性质选项中，对于由受激辐射跃迁产生的光子与入射光子相同的是___D___。

A 、偏振方向

B 、频率

C 、运动方向

D 、以上都是

20分，共20空，每空2分） 1、激光器采用开放式谐振腔的主要原因是 减少模式数 。

2、一质地均匀的材料对光的吸收系数为α，光通过长为l 的该材料后，出射光

强占入射光强的比例 l

α- 。在均匀泵浦的情况下，一光束通过长度为l

的该工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，该物质的增益系数为

α+l /2ln （假设光很弱，可不考虑增益或吸收的饱和效应）。

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3、实现锁模需满足的相位关系是 相邻纵模相位差为常数 。

4、非稳腔与稳定腔相比， 非稳腔 腔更容易实现大的模体积和横模鉴别能力，在稳定腔中基模与高阶模相比 高阶模 具有更大的模体积。

5、在非均匀加宽气体激光器中，数量最多的粒子的表观中心频率为 增益介质中心频率 ，其运动速度为 0 。

6、在中心频率为0v 的连续均匀加宽激光器中，若有两个频率为1v 和2v 的纵模在振荡，且0201v v v v -<-，则最后形成稳定振荡的是频率为 1v 的光场（不考虑空间烧孔效应）；在相同的条件下，若增加腔长，则激光器输出的纵模数会 不变 。

7、在用KDP 晶体纵向电光调制系统中，波片的作用是使得通过晶体后的两偏振分量产生附加相位差为___2

π

__，对应的两偏振分量的光程差为 四分之一波长 ，其作用可以通过在晶体上附加 4/λV 电压来代替。

8、当进行声光调制时，通过改变超声波的 功率 实现调制；当进行声光偏转时，通过改变超声波的 频率 来实现偏转。

9、被动锁模激光器中，由不规则的脉冲演变到锁模脉冲的物理过程大致分为三个阶段，分别是_线性放大阶段 ，_非线性吸收阶段 ， _非线性放大阶段 。 10、二阶非线性极化产生倍频和光学参量振荡，光学相位共轭基于三阶非线性极化。

30分） 1、激光是受激辐射光。但在激光工作物质中，自发辐射、受激辐射和受激吸

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收是同时存在的，试讨论使受激辐射过程占优势的条件，采取什么措施可以满足这个条件？（6分）

答：（1）受激辐射相对于受激吸收占优势的条件是粒子数反转，通过泵浦可实现粒子数反转……………………………………………………………..(3分) （2）受激辐射相对于自发辐射占优势的条件是谐振腔内只有一个或少数几个模式起振，（因为分配到一个模式的自发辐射几率等于一个光子引起的受激跃迁几率，只要模式数足够少，受激辐射将占优势），采取的措施是建立谐振腔，并采用适当的选模措施。…………………………………………………(3分) 2、当高斯光束通过薄透镜时，假设透镜焦距F 一定，0θ'为透镜变换后的远场发散角，物距l 取何值时00θθ'>，取何值时00θθ'<？（6分）

答：根据高斯光束的性质，0000θθωω''>?<，0000θθωω''分两种情况进行讨论

（1） 若F 。……(2分) （2） 在F ≥f 的情况下

()2202

22

01F l F or l F F l f ωω'=<-+ (2分)

()220222

01F F l F F l f

ωω'=>?<+-+ (2)

3、均匀加宽工作物质的增益饱和与非均匀加宽工作物质的增益饱和的基本特征是什么？（6分）

答：（1）对均匀加宽工作物质，频率为ν1的强光入射有效地消耗了激发态度额

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原子数，原子对其他频率处的贡献降低了，使得其他频率的弱光的增益系数也以同等程度下降，其结果是增益在整个谱线上均匀下降。……………(3分) （2）对非均匀加宽工作物质，频率为ν1的强光只引起表观中心频率在ν1附近的反转集居数饱和，因而在增益曲线上形成一个烧孔。……………(3分) 4、综合比较声光偏转和电光偏转的特点（提示：从偏转角度、驱动电压、偏转效率、对激光频率的影响等方面进行分析）（6分）

答：（1）声光偏转角度大，驱动电压低，偏转效率低于电光偏转，引起激光频率偏移。…………………………………………………………………..(3分) （2）电光偏转角度小，驱动电压高，偏转效率趋近于100%，不影响激光频率。………………………………………………………………………..(3分) 5、试比较调Q 激光器和锁模激光器产生短脉冲的工作原理的本质区别（6分） 答：（1）调Q 的基本原理是通过调节谐振腔的Q 值（损耗）的方法，使腔内的反转粒子数积累到最大，再突然提高Q 值，使积累在上能级的大量粒子雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的短脉冲输出。…………………………………………………………(3分) （2）锁模的基本原理是使各纵模在时间上同步，即把它们的相位相互联系起来，使之有确定的关系（1q q ??+-=常数），各个纵模发生相干叠加，输出一个峰值功率高、脉冲宽度窄的脉冲序列，脉冲宽度近似等于振荡线宽的倒数。(3分)

四、计算与问答题（30分）

1、如图所示，波长为λ=1.06μm 的Nd:YAG 激光器，全反射镜的曲率半径

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R =0.5m ，距离全反射镜a =0.15m 处放置长为b =0.18的Nd:YAG 棒，其折射率η=1.8，棒的右端直接镀上半反射膜作为腔的输出端。（15分） 1）判别腔的稳定性；（5分）

2）求Nd:YAG 晶体棒输出端的光斑半径；（3分）

3）在距输出端c =0.2m 处放置F =0.1m 薄透镜，求经透镜后的光腰半径和位置。

（7分）

解答：1）等效腔长

/0.150.18/1.80.25(1)L a b m

η'=+=+=……………………………………..(2分)

12120.250.2511110.5

(2)0.5L L g g R R ????''????=--=--= ??? ???∞????????

1201

(3)g g ∴

<<

该腔为稳定腔。……………………………………………………………(3分) 2）2R L '=，该腔为半共焦腔，束腰在平面镜位置处

0290(4)m

ωμ===…………………………………….(4分)

3）

()2

62

6

3.14290100.249(5)1.0610

f m

πωλ

--??=

==?

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……经过透镜后的光束腰斑半径

6

108(6)

m

ωμ

-

'===……………………..(3分)

腰斑位置

()

()

()

()

22

22

22

0.20.10.1

0.10.114(7)

0.20.10.249

l F F

l F m

l F f

--?

'=+=+=

-+-+

…………………(3分)

2、某四能级系统，其E0为基态能级，四个能级的简并度相同。泵浦光频率与E0、E3间跃迁相对应，其跃迁几率W03 =W p。E3能级到E2能级的跃迁足够快，使得E3能级上的粒子数可忽略，且E3到其它能级的跃迁可忽略。E2能级的寿命τ2较长，E1能级的寿命τ1较短，但不可忽略，因而E1能级上的粒子数密度不可忽略，E2→E1的跃迁速率为1/τ21，总粒子数密度为n，求：（15分）

1）在E2和E1间形成集居数反转的条件（因无谐振腔，也无相应频率的光入射，因而E2和E1间的受激辐射和受激吸收可忽略）；（8分）

2）E2和E1间的反转集居数密度与W p、n的关系式；（4分）

3）泵浦极强时E2和E1间的反转集居数密度。（3分）

解答：1）稳态跃迁速率方程：

22

2

0(1)

p

dn n

W n

dtτ

=-=

121

211

0(2)

dn n n

dtττ

=-=

012

(3)

n n n n

++=…………………………………..……………………… (5分)

由（2）式得到

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……

1

12

21(4)n n ττ=

1212211(5)n n n n ττ??

?=-=- ?

??

由（5）可得E 2和E 1间形成集居数反转的条件是：

121

(6)ττ<…………………………………………………………………(3分)

2）由（1）式得到

()2122

(7)p n W n n n τ=--

将（4）式代入（7），得到

2

2122

21

(8)1p p p W n n W W ττ

τττ=

++

由（5）式得到

2

11

212221

1(9)1p p p W n n W W τττττττ???=

- ???

++……………………………………………(4分)

3）当W p 极强时，21p W τ>>

1211121211221

1(10)11p n

n n W τττττττττ??-?=

-= ?+??++

…………………………………….(3分)