考研 华科激光原理考研题
华科考研激光原理2002--2014真题
2013年
一、简答：
1.说出激光器的两种泵浦方式，并分别举个例子。
2.什么是空间烧孔？并说明对激光器模式的影响。
3.试写出二能级的速率方程。并证明二能级不能产生自激震荡（设f1=f2）。
4.说出三种粒子跃迁的方式。并给出各自的特点。
5.什么是增益饱和，在激光器增益中的作用。
二、
三、就是那个三个镜的三角环形腔，周版书上的原题，求腔的稳定性。
四、激光模式的匹配。两个平凹腔，分别给出腔长和半径，先计算稳定性，再求透镜放在两腔之间什么地方以及透镜的焦距才能实现两高斯光速的匹配。
五、大信号增益。
（1）给出初始光强I0>> 饱和光强Is，和腔长L求输出光强；
（2）求极限光输出功率（单位输出面积的）。
2012年
题型：简答题5个，一个10分。计算4个，一个25分。
一、简答：
1，什么是兰姆凹陷，说明形成条件。
2，何为激光模式，解释横模、纵模。
3，反转粒子数密度大于零时，是否能形成稳定振荡，说明理由。
4，非均匀加宽和均匀加宽各有什么特点？
5，高斯光束有什么特点？
二、计算：
1、某谐振腔中除两反射镜外所有光学元件的矩阵元是(A B C D)（2*2矩阵），求证其稳定性条件为0 2，某腔中有两个模式，频率分别为v1，v2，且v0 2011年 一、简要回答下列问题 1.什么是对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价性？ 2.简要描述三能级和四能级系统形成反转粒子数的区别，三能级系统形 成反转粒子数为什么比四能级系统要困难，试举例三能级和四能级激 光器各一种，并说明波长。 3.简述非稳腔的优缺点，画出实共焦望远镜的几何自再现波形。 4.分析均匀加宽固体激光器的模式竞争。 二、求所示谐振腔的稳定性 三、一种三能级系统激光器，其S32=5*106 s-1, S21=0, A21=3*102 s-1, A31=3*106 s-1, g1=g2, 腔内只存在一个谐振模，不计各种损耗： a）求在外界泵浦情况下，该激光器的激光形成过程； b）列出完整的速率方程； c）稳态时，如果介质激光上下能级粒子数相等，则应为多少？ 四、在一种Ar+激光器中，其产生的高斯光束束腰半径为0.41mm，束腰位置 恰好在某凸透镜前表面上，该激光器的输出功率为400W，透镜焦距为10mm，试计算Ar+激光器发射的激光经透镜聚焦后，焦点处光斑半径内的平均功率密度。（Ar+激光波长为514.5nm） 五、有一连续行波激光放大器，工作物质具有均匀加宽线型，中心频率v0处 的小信号增益系数为G m，工作物质的损耗系数为α，入射光频率为v0，其有效面积为A，求放大器的最大极限输出功率P m。 六、如何利用短腔法选取单纵模？激光工作物质是钕玻璃，其荧光线宽 ΔλF=24.0nm，折射率η=1.50，能用短腔法选单纵模吗？为什么？ 2011年（网上版本） 一：简答题 每年的简答题都大同小异，今年考的也是增益饱和，兰姆凹陷，三能级和四能级的差别，这些概念相信每一个看了资料的人都很清楚，今年唯一不同的考题是“各举一个三能级和四能级激光器的例子，并说明它们的中心波长”，我相信这个问题难倒了很多人，这道题目我应该也没有拿到全部的分数。其他的都常规，就不做赘述了。 二：计算题 1.求一个透镜系统的光线传输矩阵。 上面的图像画的很粗糙，很抱歉，但是意思到了，题目本身就是给出了各个透镜的参数，要求写出该系统的传输矩阵。相关知识参见杨克成编写的《激光原理》第二章第一节，这道题属于送分型的题目，只要知道反射镜，空气，凸透镜的传播矩阵，利用线性代数的知识进行简单的计算就可拿到满分，最后题目要求算出该系统稳定的条件，公式就是-1<0.5(A+D)<1,看过课本的同学都明白，不多做解释，还不明白的话，直接q我，我再详细讲解。 2.这一道计算题参见杨克成老师编写的《激光原理》44页，与这道题几乎完全 一样，还需要了解的知识就是46-47页的相关内容，因为它需要先计算出成像的位置。这是一道按部就班的题目，也可以说是送分的，这道题属于课本上一个很经典的计算题模型。 3.这道题考的内容就是杨克成编写的《激光原理》148页的内容，看了03-07 年的真题的同学都知道这道题考的是什么了，这道题每年都会考，只有2种变化，要么是单向传输的腔，要么是震荡的腔，完全送分的题目，不多做解释，不明白的话qq我，我再给详细讲解这道题。 4，应该还有一道题是考的三能级和四能级的速率方程吧，参见课本137-143，很抱歉，实在不太记得了，一般跟往年的相似的题目都是直接写答案的，所以印象不深了，相信你们明年考完的感觉肯定和我一样，确实很多题目都是直接默写答案的类型。这就是激光原理，所以说完全是一门10天突击130的科目。 三：综合题 这道题考的知识是短腔法选模，参见杨克成《激光原理》116页，这道题所涉及的知识不难，但对于我这种7天突击型的人来说属于比较偏的题目，当时看书的时候只是快速的浏览了一遍，所以这道题答的不理想，应该扣了10分左右。建议你们还是尽量多熟悉几遍课本。 2010年 一、 简答题 1 简述受激辐射和自发辐射的区别 2 用小孔光阑简述激光形成的物理过程； 3 用小孔光阑简述自再现模的形成过程； 4 试画出双凸腔的自再线波型 5 是简述在什么情况下是均匀加宽线性函数，什么情况下是非均匀加宽线性函数？ 二、 在非均匀加宽气体激光其中，线宽是1500MHZ ，谐振腔长108cm ，已知反 射镜的透射率分别是0和0.03，求在该激光其中可能存在多少纵模？ 三、 在单纵模运行的固体激光器里，已知输出波长为 1.06μm，谐振腔的长 度100cm ，问是否存在空间烧孔，求出烧孔周期，如果没有烧孔，试说明理由。 四、 以知高斯光束束腰在Z=O 处，试写出不同位置的等相位面的曲率半径， 并讨论等相位面的中心位置，并证明存在曲率半径最小的位置 2009年 1.兰姆凹陷原理 2.简述激光器激光产生原理 3.证明：腔长相同的所有对称稳定球面腔中，以共焦腔中基模的模体积最小。 （可能用到的公式: 2 11221 0000141 ) 2(V g g g g g g V -++ =） 4.均匀加宽和非均匀加宽的区别 5.增益饱和的物理意义 6.连续行波激光放大器，告诉了一些参数（忘了），工作物质具有均匀加宽线型或非均匀加宽线型时，求最大极限输出功率。 2008年 一、简答题 1.什么是增益饱和，为什么连续激光器能够连续稳定地输出激光？ 2.简述自激振荡形成的过程。 二、列举三种激光器谐振腔的分析方法，讨论这些分析方法的特点和应用范围。 三、试证明：在所有相同而R 不同的对称稳定球面腔中，共焦腔的衍射损耗最低，这里L 表示腔长，R=R1=R2为对称球面腔反射镜的曲率半径，a 为镜的横向线度。 2007年 一、 简答题（25分） 1. 增益饱和的物理机制是什么？它在连续激光器稳定运行中起什么作用？ (5分） 2. 简述受激辐射的物理过程和特点； (5分) 3. 兰姆凹陷是如何形成的？它能够用作什么应用？ (6 分) 4. 列举三种激光谐振腔的分析方法，说明各自的特点，适用范围及它们之 间的相互关系。 (9分) 二、 光线在类透镜介质中的传输距离Z 的变换矩阵为： 错误!未找到引用 源。 ， 在z=0时，q 参数为: q 0 =q(z=0)=-iZ 0，试分析： （1） 类透镜介质中高斯光束光斑大小的变化规律；（10分） （2） 证明存在一种情况，高斯光束的光斑大小不随传播距离发生变化； （10分） （3） 在满足（2）的情况下，高斯光束的等相位面的曲率半径如何变化？ （5分） 三、 某激光器（波长为10.6μm ）输出的峰值功率为5kW ，光束腰斑半径为 2mm 。该激光器的输出通过焦距为354mm 的透镜聚焦进行材料加工，在这样一种加工系统中，通过控制系统可以使激光器的腰斑到聚焦透镜的距离在2.5到5m 间变化，如图所示，试计算激光器通过透镜聚焦后在焦平面上光强的变化范围。说明可以采用什么措施降低焦平面上光强的波动范围。（20分） 四、 对于均匀加宽单模运转的行波激光器，假设谐振腔内只存在一个方向传 输的行波，请回答下列问题： （1） 说明在此激光谐振腔光轴方向是否存在空间烧孔效应？ （8分） （2） 试推导激光器输出功率表达式，并证明此激光器也存在一个最佳透过 率使得激光器的输出功率达到极大值； （12分） （3） 写出激光器谐振腔内光强随透过率的变化关系，是否也存在一个最佳 透过率使得激光器谐振腔内的光强达到极大值？ （5分） 4m 五、对于由相距L的两球面镜（曲率半径为R1，R2）组成的稳定谐振腔，推 导镜面处自洽场光束参数q的表达式，由此证明光束在镜面处的曲率半径等于该反射镜的曲率半径。（15分） 六、画出谐振腔内带有倾斜耦合镜的虚共焦非稳腔的示意图，并设计一腔长 为1m的虚共焦非稳腔，要求谐振腔的能量损耗为36%，分别对于二维、三维反射镜的情况，计算该谐振腔反射镜的曲率半径。（20分） 七、TEM00模式的激光光束垂直入射到完全吸收的介质平面上，平面中央处 有半径为a的小孔，求该平面对垂直入射的TEM00模式的透过率，并计算当小孔半径正好等于该处基模光斑半径时的透过率值。（20分） 2006年（75分） 1.在均匀加宽内腔式气体激光器中，在刚开始点燃时，可观察到激光功率不断 起伏，激光频率在v0附近变化，开始时频率不断减小，在某时刻有发生跳变而突然增大，试解释该现象。（10分） 2.什么是兰姆凹陷？试说明采样兰姆凹陷进行激光稳频的原理和实现方式，画 出必要的原理图和框图。（15分） 3.设平行平面腔的长度为L=1m，一端为全反射，另一端面反射镜的反射率为 R=0.99，试求在1500MHz频率范围内所包含的纵模数目和每个纵模的频带宽度。（16分） 4.有一均匀加宽气体激光器，其增益介质长L=80cm，中心频率小信号增益系数 为G m=0.001cm-1，饱和光强I s=30W*cm-2，线宽为Δv H=2kHz错误!未找到引用源。，一面反射镜的透过率为：T1=0.01，另一面输出镜的透过率T2可变，忽略其他损耗，腔长L=100cm。 （a）求中心频率处的输出光强I和T2函数关系并作出关系曲线；（12分）（b）假设光斑面积A=1mm2，试求中心频率处T2输出镜的最佳透过率和最大输出功率；（10分） 5.从镜面上光斑大小的角度来分析，当光斑尺寸超过镜面的线度时，这样的模 式就不可能存在。试由此估计一下，在L=30cm，2a=0.2cm的氦氖方形镜对称共焦腔激光器中（波长为632.8nm）所能够出现的最高阶横模的阶次m（或n）为多大？（12分） 2005年（75分） 一、简答题 1.简述自激振荡的形成过程。（5分） 2.试述增益饱和的物理机制，并说明其在连续稳定工作的激光器中的作用。 （5分） 3.试写出四能级系统的速率方程，画出能能级图并标出相关系数。（5分） 4.什么是对称共焦腔和一般稳定球面腔的等价性。（5分） 二、一质地均匀的材料对光的吸收系数为0.01mm-1，光通过10cm长的该材料后， 出射光强为入射光强的百分之几？如果一光束通过长度为1m的均匀激活的工作物质，要求出射光强是入射光强的两倍，试求该工作物质的增益系数。 （10分） 三、三个反射平面镜组成的等边三角形的环行腔，每边长为L，其中一边的中点 放有焦距为F的透镜，（12分） （1）画出该腔的等效透镜波导； （2）L/F为何值时，该腔是稳定腔； （3）不用数学推导能否指出束腰的位置。 四、有一长度足够长的均匀加宽连续放大器，其工作物质的有效截面积为A，在 频率v0处的小信号增益系数为G0，内部损坏为α，饱和光强为I s，入射光的频率为v0，入射光功率为P0，试求该放大器的极限输出功率P m。（15分） 五、试述均匀加宽和非均匀加宽的特点和区别，并简述在均匀加宽激光器中的自 选模过程和非均匀加宽激光器的多纵模振荡。（18分） 2004年（75分） 一、简答题 1.一光束入射到长10cm、增益系数为0.5cm-1的工作物质中，求出射光强对 入射光强的比值；（6分） 2.小信号增益系数和大信号增益系数有何不同，如何区分？（6分） 3.简要说明三能级和四能级系统在实现粒子数反转过程中的特点。（8分） 二、试分析强光作用下弱光增益系数的特点，分均匀加宽和非均匀加宽两种情况 分别讨论。（15分） 三、腔长为1m 的激光谐振腔，由于周围环境温度的变化，腔长将有沿光轴方向 的微小变化，如果要保证纵模频率变化在1Hz 以内，试问：允许腔长改变的最大值是多少？（15分） 四、一均匀加宽气体激光器，增益介质长l=80cm ，中心频率小信号增益系数 G m =0.001cm ，饱和光强I s =30W*cm -2，线宽为Δv H =2kHz 错误!未找到引用源。，一面反射镜的透过率为：T1=0.01，另一面输出镜的透过率T2可变，忽略其他损耗，腔长L=100cm 。 （1） 求输出光强I 和T2的函数关系并作出关系曲线；（15分） （2）假设光斑面积A=1mm 2，分别求激光器两端的输出功率P 。（10分） 2003年（75分） 一、简答题 1.什么是小信号增益系数？在其他条件相同的情况下，小信号增益的系数对激光输出功率有什么影响？（8分） 2.两镜共轴共焦腔是稳定腔吗？为什么？（5分） 3.为什么激光的谱线总是有一定的宽度？（5分） 4.试说明模体积的大小对激光输出的作用。（5分） 二、试分析均匀加宽和非均匀加宽的作用在小信号和大信号时对产生激光的纵模数的影响。（20分） 三、TEM 01模式的激光光束垂直入射到完全吸收的介质平面上，平面中央处有半 径为a 的小孔，求该平面对垂直入射的TEM 01模式的透过率，并计算当小孔半径正好等于该处基模光斑半径时的透过率值。（17分） （ ) (22 2 2 22 0122 )) (21()(),(I z r e z r z I z r ωωωω- ?-= ） 四、有一连续行波激光放大器，中心频率v 0处的小信号增益系数为G m ，工作物 质的损耗系数为α，入射光的频率为v 0，其有效面积为A ，求放大器的极限输出功率P m 。设工作物质具有（1）均匀加宽线型；（2）非均匀加宽线型。（15分） 2002年（75分） 一、简答题 1.当粒子翻转数大于零时，在激光谐振腔中能够产生自激振荡吗？为什么？（5分） 2.为什么连续激光器能够实现稳定的激光输出？（5分） 3.以虚共焦望远镜腔为例说明非稳腔中共轭像点的作用和几何自再现波形的特点。（7分） 4.试画出激光工作物质四能级系统的能级图，说明能级间粒子跃迁的动态过程。（8分） 二、证明腔长相同的所有对称稳定球面腔中，以共焦腔中基模的模体积最小。 （可能用到的公式: 2 112210 0000141 ) 2(V g g g g g g V -++ =） （15分） 三、TEM 00模式的激光光束垂直入射到完全吸收的介质平面，平面中央处有半径 为a 的小孔，求该平面对入射的TEM 00模式的透过率，并计算当小孔半径正好等于该处基模光斑半径时的透过率值。（20分） （高斯光束基模光斑的光强分布为：) (22 20 0022 ) (),,(I z r e z I z r ωωω ?- =） 四、讨论均匀加宽和非均匀加宽的区别。（15分） 五、一连续工作行波激光放大器，工作物质具有均匀加宽线型，长度为L ，中心 频率处小信号增益系数为G m ，损耗系数为α，且α/G m <<1，入射光强为I i ，输出光强为I L ，饱和光强为I S 。 a ） 试证明G m L=),()ln( i L i L ββαββ-+其中s L I I L =β，s i I I i =β； （15分） b ） 试求这个工作物质小信号功率增益i V I I K L 0)(= 曲线的半值宽度v δ。（10分） 2014年 一.解释题 1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。(15) 2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。(15) 3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？ 谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？(15) 4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，为什么?(15) 二．解答题 1. 一个折射率为η,厚度为d 的介质放在空气中，界面是曲率半径为R 的凹面镜和平面镜。 （1）求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。 （2）求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。 （3）求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。(25) 2. 圆形镜共焦腔的腔长L=1m ，（1）求纵模间隔q υ?，横模间隔m υ?,n υ?. (2)若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz ，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25) 3. 虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m ，由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为m R 12-=,cm a 322=,若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。(20) 4. 某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L ，中心频率的小信号增益为m G ，初始光强为0I 中心频率饱和光强为s I ，腔内损耗系数为i α (m i G <<α),试证明有： （20）s L L m I I I I I L G 0 0ln -+= (提示：I dz dI G i =-α, s m I I G +=1G 构造微分方程) 感谢文件最初贡献者08hjl2 如有需要详细答案可联系： E-mail addres:745147608@https://www.360docs.net/doc/cb7770942.html, 华科考研激光原理2002--2015真题 2015年（839） 一、简单 1、激光产生的必要条件？ 2、激光的四种特性？选择一种说明其用途 3、谐振腔的稳区图，并写明稳定腔和非稳腔的位置 4、四能级系统速率方程和图示 二、共焦腔与一般稳定腔的对应计算 三、行波腔的均匀加宽和多普勒加宽的最大输出功率计算 四 2015激光原理（900） 一、简答题 1、△n 大于0，激光器是否能够产生自激振荡？ 2、光学谐振腔的结构和作用 3、共焦腔与一般腔的等价性 4、均匀加宽与非均匀加宽的特点 5、连续激光器从开始振荡到产生稳定输出增益系数的变化情况 6、光学模式以及横模和纵模 二、三能级四能级的本质区别，以及为什么四能级更容易产生粒子数反转 三、三能级能级示意图，速率方程 四、稳定腔，非稳腔，临界腔计算判断(很简单) 五，光线传输矩阵相关的题 2014年 一.解释题 1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。(15) 2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。(15) 3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？ 谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？(15) 4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，为什么?(15) 二．解答题 1. 一个折射率为η,厚度为d 的介质放在空气中，界面是曲率半径为R 的凹面镜和平面镜。 （1）求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。 （2）求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。 （3）求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。(25) 2. 圆形镜共焦腔的腔长L=1m ，（1）求纵模间隔q υ?，横模间隔m υ?,n υ?. (2)若在增益阈值之上的增益线宽为60Mhz ，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？(25) 3. 虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m ，由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为m R 12-=,cm a 322=,若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。(20) 4. 某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L ，中心频率的小信号增益为m G ，初始光强为0I 中心频率饱和光强为s I ，腔内损耗系数为i α (m i G <<α),试证明有： 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） 华中科技大学《激光原理》考研题库及答案 1．试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000m ，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：188346 341105138.210 31063.6105.01063.61?=????=? ?= =---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＝1 ，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 1038.11031063.6exp[2393412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 36 23834121026.61.0]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 18 1221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且202110=+n n 可求出312≈n （2）功率＝W 918810084.51064.13110--?=??? 4．(1)普通光源发射λ＝0.6000 m 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体 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。 华科复试题目 华科光电考研复试(光电检测技术与应用题) 1、温度变化与自发极化强度有何关系？ 答：晶体的整体温度的微小变化ΔT产生自发极化强度Ps的变化可表示为ΔˉPs=ˉPΔT式中ˉP 为热释电系数矢量，一般有三个分量Pi（i=1.2，3）Pi=dPsi∕dT(单位c∕㎡k) 在与电热释电晶体的自发极化强度Ps轴垂直的表面内出现的束缚电荷面密度等于Ps，晶体内部电荷中和束缚电荷的平均时间て=ε∕r这里ε为晶体的介电常数，r为晶体的电导率，多数热释电晶体て值在1——1000s之间。 2、热电势探测器能否测量直流信号？为什么？ 答：用于人体的热释电探测器，它的工作波长为7——15μm，人体辐射为9μm，图中被测物体（或人体）所辐射的红外线经过遮光盘的调制产生调制频率为?的红外光照摄热释电晶体，当?>1∕て时，晶体内自由电荷来不及中和表面束缚电荷的变化结果就使在垂直于极化强度Ps的两端面间出现交流电压，在端面上敷以电极，并接上负载电阻就有电流通过，在负载R两端就有交流电压输出，设温度变化率为dT∕dt，极化强度 Ps对时间的变化率为dPs∕dt，电极面积为A，则AdPs∕dt就相当于电路上的电流，于是电压输出与温度变化率成正比。 3、硅光电池为什么使用梳状电池？ 答：梳状电极：大面积光敏面采用梳状电极可以减少光载流子的复合，从而提高转换率，减少表面接触电阻。 4、为什么有些光敏二极管在制作PN结的同时还做出一个环极？ 答：无光照时反向电阻很大（MΩ级）只有打在PN结附近，使PN结空间电荷区（耗尽层）产生光生电子空穴对时它们与P区、N区的少数载流子一起在PN结内电场的作用下做定向移动形成光电流，此时它的反向电阻大为降低，一般只有1KΩ到几百欧，当负偏压增加时耗尽层加宽使光电流增大，灵敏度提高，光电流与入射光照度成线性关系。光敏二极管的缺点：暗电流较大为了减少无光照时反向漏电流（暗电流）的影响有些光敏二极管（如2DU型）在制作PN结的同时还做出一个环形的扩散层引出的电极称为环极，如图所示因环极电位比负极电位高所以反向漏电流（暗电流）直接从环极流过而不再经过负 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 第一章 电磁波 1. 麦克斯韦方程中 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和 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； ⑶由方程组中的2式可知，在真空中，，J =0，则有 *B 0 0卡 ；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 激光原理复习题 B 0J .E .B B t E 0 0 t / 0 0 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。对于可见光范围的电磁波，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。 5光与物质相互作用时，会被介质吸收或放大。被吸收时，光强会减弱，放大时说明介质对入射光有增益。请问增益系数是与原 子相关的哪个物理量成正比？这个物理量在激光的产生过程中 扮演什么角色？ 答：增益系数正比于反转粒子数：激光产生的必要条件之一就是原子中有反转粒子数的存在。 6在激光的产生过程中，由于光强会被不断的放大，但不会导致产生的激光也 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） 华中科技大学2018年《激光原理》硕士招生考试大纲 一、课程名称： 激光原理与技术 Laser Principle and Technology 二、课程编码： 三、学分与学时：64/4 四、先修课程：量子力学、几何光学、物理光学 五、课程教学目标： 《激光原理与技术》课程是光电子专业本科生的专业基础课，其教学目标是使学生能够掌握本课程的基本理论、基本分析方法和基本技能。初步具备应用所学到的基本理论和方法分析和解决本专业的一般性问题。 六、适用学科专业：高等院校光电子技术、光通讯、光电器件应用物理等本科专业。 七、基本教学内容与学时安排： 第一章绪论（4学时） 一、激光的诞生及发展 二、激光产生的机理 三、激光的特性 四、激光器实例 第二章光线矩阵及高斯光束（10学时） 一、光线的传播 １．光线矩阵 ２．双周期性透镜波导 ３．相同周期性透镜波导 ４．光线在反射镜之间的传播 二、光束在均匀介质中传输 １．均匀介质中的基本高斯光束 ２．ＡＢＣＤ法则 ３．高斯光束在透镜波导中的传输 ４．均匀介质中的高阶高斯光束 三、高斯光束的变换 １．高斯光束通过薄透镜的传输 ２．高斯光束的聚焦、准直和匹配 ３．高斯光束的自再现变换与稳定球面腔 第三章激光谐振腔（10学时） 一、光学谐振腔的稳定性条件 １．光学谐振腔的稳定性 ２．光学谐振腔的构成与分类 ３．光学谐振腔的作用 二、光学谐振腔的模式 １．光学谐振腔中光波模的谐振频率 ２．光学谐振腔内的多纵模振荡和单纵模的选取 ３．纵模的频率漂移 三、平行平面腔的迭代法 １．开腔衍射理论的分析方法 四、平稳定球面腔 １．对称共焦腔的模式 ２．一般稳定球面腔与对称共焦腔的等价性 ３．一般稳定球面腔的模式 ４．非稳定球面腔 第四章光场与物质的相互作用（8学时） 一、光场与物质相互作用的理论 １．光场与物质相互作用的理论体系 ２．电介质的极化 ３．原子自发辐射的经典模型 二、谱线加宽与线型函数 １．光谱线的频率分布 ２．爱因斯坦辐射系数在谱线加宽时的修正 ３．原子与有谱线线宽辐射场的相互作用 三、均匀加宽和非均匀加宽 四、激光器的速率方程理论 １．三能级速率方程组 ２．四能级速率方程组 第五章连续和脉冲激光器的运行特性（8学时） 一、小信号增益系数 １．增益系数正比于反转粒子数 ２．增益系数与入射光场频率的关系 二、均匀加宽时的增益饱和 １．增益饱和现象及其物理机制 ２．均匀加宽条件下反转粒子数的饱和 ３．均匀加宽条件下的大信号增益 三、均匀加宽时的增益饱和 １．非均匀加宽条件下反转粒子数的饱和 ２．非均匀加宽条件下的大信号增益 四、连续激光器的稳态工作特性 １．激光器的阈值条件 ２．稳态工作时的腔内光强 ３．连续激光的输出功率和最佳透过率 文章来源：文彦考研 华科考研激光原理2002--2014真题 2013年 一、简答： 1.说出激光器的两种泵浦方式，并分别举个例子。 2.什么是空间烧孔？并说明对激光器模式的影响。 3.试写出二能级的速率方程。并证明二能级不能产生自激震荡（设f1=f2）。 4.说出三种粒子跃迁的方式。并给出各自的特点。 5.什么是增益饱和，在激光器增益中的作用。 二、 三、就是那个三个镜的三角环形腔，周版书上的原题，求腔的稳定性。 四、激光模式的匹配。两个平凹腔，分别给出腔长和半径，先计算稳定性，再求透镜放在两腔之间什么地方以及透镜的焦距才能实现两高斯光速的匹配。五、大信号增益。 （1）给出初始光强I0>> 饱和光强Is，和腔长L求输出光强； （2）求极限光输出功率（单位输出面积的）。 2012年 题型：简答题5个，一个10分。计算4个，一个25分。 一、简答： 1，什么是兰姆凹陷，说明形成条件。 2，何为激光模式，解释横模、纵模。 3，反转粒子数密度大于零时，是否能形成稳定振荡，说明理由。 4，非均匀加宽和均匀加宽各有什么特点？ 5，高斯光束有什么特点？ 二、计算： 1、某谐振腔中除两反射镜外所有光学元件的矩阵元是(A B C D)（2*2矩阵），求证其稳定性条件为0 2011年 一、简要回答下列问题 1.什么是对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价性？ 2.简要描述三能级和四能级系统形成反转粒子数的区别，三能级系统形 成反转粒子数为什么比四能级系统要困难，试举例三能级和四能级激 光器各一种，并说明波长。 3.简述非稳腔的优缺点，画出实共焦望远镜的几何自再现波形。 4.分析均匀加宽固体激光器的模式竞争。 二、求所示谐振腔的稳定性 三、一种三能级系统激光器，其S32=5*106s-1, S21=0, A21=3*102s-1, A31=3*106 s-1, g1=g2, 腔只存在一个谐振模，不计各种损耗： a）求在外界泵浦情况下，该激光器的激光形成过程； b）列出完整的速率方程； c）稳态时，如果介质激光上下能级粒子数相等，则应为多少？ 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 第1页 哈尔滨工业大学 共4页 二O—O年硕士研究生入学考试试题 考试科目：激光原理报考专业：物理电子学 考试科目代码：[817 ] 是否允许使用计算器：[是] 考生注意：答案务必写在答题纸上，并标明题号。答在试题上无效。 物理常数： 真空中光速c=3x 108[m/s] 普朗克常数h=6.626x 10-34[j?s] 电子电荷e=1.6x 10-19[c] 玻耳兹曼常数k=1.38 X0-23 [J/K] 一?填空(每空2分，共40分，按(1)、(2)……(20)顺序写在答题纸上) 1 ?频率为v温度为T的黑体辐射光源的光子简并度n=[ (1)]，模密度n v= [ (2)] 2. 红宝石激光器常用的发射波长为[⑶]nm ,其激光形成过程包括：Cr3+的受激吸收、 [(4)]、粒子数反转状态的形成、[(5)]、受激发射、在谐振腔的作用下产生激光。 3?增益饱和的物理机制为：当激光腔内光强I v增加时，由于强烈的受激发射导致[⑹] 减小，致使增益系数下降。均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线[(7)];非均匀加宽工作物质的增益饱和为增益曲线[(8)]。 4?若某激光器的损耗系数为0.1cm-1，贝U达到激光振荡的阈值条件时增益系数G二 第2页[(9) ] cm-1;当四能级系统的受激发射截面为5X10-15cm2时，激光上能级粒子数密 共4页 度阈值n3t?(10) ］cm-3。 5?无源腔损耗描述参数中，光子的平均寿命T R与平均单程损耗因子S 的关系式为：［(11)］，品质因数(Q值)与光子的平均寿命T R的关 系式为：［(12)］ 6. 某高斯光束焦参数为f=1m，将焦距F=1m的凸透镜置于其腰右方l=2m处，计算经透 镜变换后的像光束的焦参数f为［(13)］及其腰距透镜的距离I为［(14)］。 7. 任意一个共焦球面腔与［(15)］个稳定球面腔等价；任一满足稳定性条件的球面腔 ［(16)］等价于某一个共焦腔。 8. 选横模的物理基础是：不同横模的［(17)］损耗不同，高阶横模比基模损耗［(18)］， 以此来抑制高阶横模，而只保留TEM 00模。 9. 激光工作物质的净增益线宽内包含有(2N+1)个纵模，假设各个纵模振幅均相等为E o, 如果锁模输出，其两个主脉冲(极大值)之间的时间间隔为［(19)］，锁模脉冲宽度为［(20)］。 二.简要回答下列问题(每题4分，共40分) 1. 原子的受激发射概念、受激发射系数和受激发射几率之间的关系式。 2. 什么是激光？与荧光光源相比激光有哪些特性？ 3. 三能级系统的缺点。 4. 激光为什么具有很好的单色性？ 5. 原子谱线非均匀加宽的特点、类型和线型。 6. 均匀加宽激光器中模的竞争概念。 7. 简述描述高斯光束的(f，z)参数、(3，R)参数、q参数之间的关系 8. 简述激光行波放大器设计中要重点考虑的几个问题。 9 .声光调Q工作原理。 《激光原理》习题解答 第二章习题解答 1 试利用往返矩阵证明共焦腔为稳定腔，即任意傍轴光线在其中可以往返无限次，而且两次往返即自行闭合. 证明如下：（共焦腔的定义——两个反射镜的焦点重合的共轴球面腔为共焦腔。共焦腔分为实共焦腔和虚共焦腔。公共焦点在腔的共焦腔是实共焦腔，反之是虚共焦腔。两个反射镜曲率相等的共焦腔称为对称共焦腔，可以证明，对称共焦腔是实双凹腔。） 根据以上一系列定义，我们取具对称共焦腔为例来证明。 设两个凹镜的曲率半径分别是1R 和2R ，腔长为L ，根据对称共焦腔特点可知： L R R R ===21 因此，一次往返转换矩阵为 ?????? ?????????????????? ??-???? ??---?????????? ??-+-???? ??--=??????=211121222121221221221R L R L R L R L R R R L L R L D C B A T 把条件L R R R ===21带入到转换矩阵T ，得到： ? ? ? ???--=??????=1001D C B A T 共轴球面腔的稳定判别式子()12 1 1<+<-D A 如果 ()121 -=+D A 或者()12 1=+D A ，则谐振腔是临界腔，是否是稳定腔要根据情况来定。本题中 ，因此可以断定是介稳腔（临界腔），下面证明对称共焦腔在近轴光线条件下属于稳定腔。 经过两个往返的转换矩阵式2 T ，?? ? ? ??=10012T 坐标转换公式为：?? ????=??????? ?????=??????=???? ??1111112221001θθθθr r r T r 其中等式左边的坐标和角度为经过两次往返后的坐标，通过上边的式子可以看出，光线经过 两次往返后回到光线的出发点，即形成了封闭，因此得到近轴光线经过两次往返形成闭合，对称共焦腔是稳定腔。 2 试求平凹、双凹、凹凸共轴球面腔的稳定条件。 解答如下：共轴球面腔的()2 12 21222121R R L R L R L D A + --≡+，如果满足()1211<+<-D A ， 07级光信息《激光原理》复习提纲 简答题 1、 简述自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的联系与区别。 （1）受激辐射过程是一种被迫的、受到外界光辐射控制的过程。 没有外来光子的照射，就不可能发生受激辐射。 (2) 受激辐射所产生的光子与外来激励光子属于同一光子状态， 具有相同的位相、传播方向和偏振状态。 (3) 激光来自受激辐射，普通光来自自发辐射。两种光在本质 上相同：既是电磁波，又是粒子流，具有波粒二象性；而 不同之处：自发辐射光没有固定的相位关系，为非相干光， 而激光有完全相同的位相关系，为相干光。 (4) 自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃 迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积。 （5）受激吸收是与受激辐射相反的过程，它的几率与受激辐射几率一样取决于吸收系数和外来光单色辐射能量密度的乘积。 2、二能级系统有无可能通过光泵浦实现稳态粒子数反转？（不能，PPT 上有） 在光和原子相互作用达到稳定条件下 得到 不满足粒子数反转，所以不能实现。 3、简述均匀增宽和非均匀增宽的区别。（类型，贡献不同ppt 上有） 4、简述光谱线增宽类型，它们之间的联系与区别 均匀增宽的共同特点 引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的 都是光辐射偏离简谐波引起的谱线加宽 非均匀增宽的共同特点 原子体系中每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，因而可以区分谱线上某一频率范围是由哪一部分原子发射的。 E 1 E 2 B 12 B 21 A 21 W W W B B ===2112 2112 即当t n B t n B t n A ννd d d 1122212 21ρρ=+W A W n n +=2112 激光原理复习题（含参考答案） 1. 自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（B） 2. 爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为（ C） 3. 自然增宽谱线为（C） （A）高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型（D）双曲线型 4. 对称共焦腔在稳定图上的坐标为（ B ） （A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1） 5. 阈值条件是形成激光的（C） （A）充分条件（B）必要条件（C）充分必要条件（D）不确定 6. 谐振腔的纵模间隔为（ B ） 7. 对称共焦腔基模的远场发散角为（C） 8. 谐振腔的品质因数Q衡量腔的（ C ） （A）质量优劣（B）稳定性（C）储存信号的能力（D）抗干扰性 9. 锁模激光器通常可获得（ A）量级短脉冲 10. YAG激光器是典型的（C）系统 （A）二能级（B）三能级（C）四能级（D）多能级 11. 任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价，而任何一个满足稳定条件的球面腔唯一地等价于一个共焦腔。 12. 激光器的基本结构包括三部分，即工作物质、激励物质光学谐振腔。 13. 有一个谐振腔，腔长L=1m，在1500MHｚ的范围内所包含的纵模个数为 10 个（设μ=1）。 14. 激光的特点是相干性强、单色性佳、方向性好高亮度。 15 调Q 技术产生激光脉冲主要有 、 两种方法，调Q 激光器通常可获得ns 量级短脉冲，锁模有 和 两种锁模方式。锁模 、 调Q 主动锁模 被动锁模 16. 受激辐射激励发射出的光子与外来光完全相同，即 ， ， ， 。传播方向相同，相位相同，偏振态相同，频率相同 17写出光与物质相互作用的爱因斯坦关系式，说明其物理含义。 答：(1)自发辐射跃迁几率2121211sp s dn A dt n τ??== ???，表示了单位时间内从高能级向 低能级跃迁的原子数与高能级原有粒子数的比例。(2)受激吸收跃迁几率 121211 st dn W dt n ??= ???，表示单位时间内由于受激跃迁引起的由低能级向高能级跃迁的 原子数和低能级原子数的比例。(3)受激辐射跃迁几率21212 1 st dn W dt n ??= ???，表示在 辐射场作用下，单位时间从高能级跃迁至低能级的原子数与高能级原子数的比例。 18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。 19请描述空间烧孔效应的物理过程。 答：当频率一定的纵模在腔内形成稳定振荡事产生一个驻波场。波腹处光强最大，波节处光强最小，消耗反转粒子数后，波腹处光强最小而波节处光强最大，则形成了空间烧孔。可见空间烧孔的形成过程由驻波腔和粒子空间转移慢引起的。 20光学谐振腔中会有横模和纵模，通常表示为mnp TEM 。请问它的角标中 第一章激光的基本原理 1、LASER英文名称的含义是什么？激光是何时何人发明的？ 2、激光的基本特性是什么？ 3、激光器主要由哪些部分组成？谐振腔的作用是什么？ 4、光波模式和光子态的关系。 5、什么是光子简并度？ 6、描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。 7、Einstein系数有哪些？他们之间的关系是什么？ 8、光放大的条件是什么？什么是粒子数反转？如何实现粒子数反转？ 9、如何定义激光增益？什么是小信号增益？什么是增益饱和？ 10、什么是自激振荡？产生激光振荡的条件是什么？ 第二章开放式光腔与高斯光束 1、什么是谐振腔的谐振条件？如何计算纵模的频率、纵模间隔? 2、在激光谐振腔中有哪些损耗因素？可以分为哪两类？ 3、哪些参数可以描述谐振腔的损耗？它们的关系如何？ 4、什么是激光谐振腔的稳定性条件？ 5、画出共轴球面腔稳定性图，并标出对称共焦腔、FP腔、半共焦腔在图中的位置。 6、如何理解激光谐振腔衍射理论的自再现模？ 7、求解菲涅耳－基尔霍夫衍射积分方程得到的本征函数和本征值各代表什么？ 8、给出圆形镜、方形镜几个横模的光斑花样的表示式。 9、什么是一般稳定球面腔与共焦腔的等价性? 10、什么是腔的菲涅耳数？它与腔的损耗有什么关系？ 第三章电磁场与物质的共振相互作用 1、激光器的理论有哪些？它们是如何处理光和物质的？ 2、什么是谱线加宽？有哪些加宽类型？ 3、如何定义线型函数和谱线宽度？ 4、如何理解均匀加宽和非均匀加宽？它们的机制有哪些？ 5、指出自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线形函数类型。 6、分析三能级和四能级系统中粒子在各能级之间的跃迁过程，并写出速率方程。 7、说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理，并写出激光增益的表达式。 8、在强光入射下，均匀加宽和非均匀加宽工作物质中，弱光的增益系数如何变化？ 第四章激光振荡特性 1、激光器按照泵浦持续时间区分，有哪些类型？ 2、激光器的振荡条件是什么？稳定工作条件又是什么？ 3、在均匀加宽和非均匀加宽激光器中模式竞争有什么不同？ 4、什么是兰姆凹陷？它是如何形成的？ 5、什么是激光器的驰豫振荡现象？如何定性解释？ 6、为什么存在线宽极限？它取决于什么？ 7、什么是频率牵引？ 激光原理复习题 第一章 电磁波 1. 麦克斯韦方程中 麦克斯韦方程最重要的贡献之一是揭示了电磁场的内在矛盾和运动；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。对于可见光范围的电磁波，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。 5光与物质相互作用时，会被介质吸收或放大。被吸收时，光强会减弱，放大时说明介质对入射光有增益。请问增益系数是与原子相关的哪个物理量成正比？这个物理量在激光的产生过程中扮演什么角色？ 答：增益系数正比于反转粒子数：激光产生的必要条件之一就是原子中有反转粒子数的存在。 6在激光的产生过程中，由于光强会被不断的放大，但不会导致产生的激光也被无限放大，这是由于光强的的增加，而翻转粒子数会减少的饱和效应所致。那么在增益系数中这一过程是如何表示的，请说明各个物理量的意义？ 答： , 其中 为小信号增益系数。 为饱和光强。 大信号 增益系数，它是频率的函数 。从式子中看到，光达到饱和时，增益系数就不再增加了。 7激光产生的一个重要条件是要有光学谐振腔。光学谐振腔的作用主要有哪几个？ 答：光学谐振腔具有以下作用：提供光学正反馈；就是说增强光放大作g s I 激光原理 周炳琨 （长按ctrl键点击鼠标即可到相应章节） 第一章激光的基本原理 (2) 第二章开放式光腔与高斯光束 (4) 第三章空心介质波导光谐振腔 (14) 第四章电磁场和物质的共振相互作用 (17) 第五章激光振荡特性 (31) 注：考华科者如需激光原理历年真题与答案可联系 E-mail:745147608@https://www.360docs.net/doc/cb7770942.html, 第一章激光的基本原理 习题 2．如果激光器和微波激射器分别在=10μm λ、=500nm λ和=3000MHz ν输出1W 连续功率，问每秒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34 6.62610 J 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 ? 3．设一对激光能级为2E 和1E (21f f =)，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=？ 解：当物质处于热平衡状态时，各能级上的粒子数服从波尔兹曼统计分布： (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时： (b) 当λ=1μm ，T=300K 时： c P nh nh νλ ==P P n h hc λν= =2211()exp exp exp n E E h hc n KT KT K T νλ-??????=-=-=- ? ???????? ?3492 231 6.62610310exp 11.3810300n n --?????=-≈ ????? 3482 2361 6.62610310exp 01.381010300n n ---?????=-≈ ?????? 1 静止氖原子的4223P S →谱线中心波长为632.8纳米，设氖原子分别以0.1C 、O.4C 、O.8C 的速度向着观察者运动，问其表观中心波长分别变为多少？ 解答： 根据公式（激光原理P136） c c υ υνν- + =110 υλν= 由以上两个式子联立可得： 0λυ υ λ?+-= C C 代入不同速度，分别得到表观中心波长为： nm C 4.5721.0=λ，nm C 26.4144.0=λ，nm C 9.2109.0=λ 解答完毕（验证过） 2 设有一台麦克尔逊干涉仪，其光源波长为λ，试用多普勒原理证明，当可动反射镜移动距离L 时，接收屏上的干涉光强周期性的变化L 2次。 证明： 对于迈氏干涉仪的两个臂对应两个光路，其中一个光路上的镜是不变的，因此在这个光路中不存在多普勒效应，另一个光路的镜是以速度υ移动，存在多普勒效应。在经过两个光路返回到半透镜后，这两路光分别保持本来频率和多普勒效应后的频率被观察者观察到（从半透境到观察者两个频率都不变），观察者感受的是光强的变化，光强和振幅有关。以上是分析内容，具体解答如下： 无多普勒效应的光场：()t E E ?=πνν2cos 0 产生多普勒效应光场：( ) t E E ?=' '02cos ''πνν 在产生多普勒效应的光路中，光从半透经到动镜产生一次多普勒效应，从动镜回到半透镜又产生一次多普勒效应（是在第一次多普勒效应的基础上） 第一次多普勒效应：?? ? ? ?+ =c υνν1' 第二次多普勒效应：?? ? ??+≈??? ??+=??? ??+=c c c υνυνυνν21112 '''华中科技大学激光原理2002-2015历年真题
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