激光原理与技术期末考试卷(2007-09)

1．基本概念题(选做5小题，每小题5分)[25]1.1 激光器一般包括哪三个基本单元？各单元的主要作用是什么？1.2 试辨析激光振荡器、激光放大器和激光器的区别1.3 激光器的主要泵浦方式有哪些？各举一典型激光器实例。

1.4 激光具有哪些基本特性？试举3个应用实例，并说明各自应用了激光的哪方面特性。

1.5 何谓烧孔效应？何谓兰姆凹陷？1.6 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？1.7 在粒子反转数密度Δn大于0时，在激光腔中一定能产生自激振荡吗?为什么？2. 综合思考题(选做2小题，每小题15分)[30]2.1何谓介质的吸收截面？现有红宝石样品一块，试设计一实验方案测量该样品的吸收截面，列出实验所需的设备和元器件。

2.2 选模复合腔如图所示，M1、M2、M3为全反镜，M4为部分反射镜。

(1)试分析其选模原理和条件；(2)如腔内增益介质振荡线宽为νosc, 为了获得单纵模输出，l1、l2应如何选择？2.3 (1) 三能级系统和四能级系统的主要区别是什么？简要说明它们在实现粒子数反转过程中的特点；(2)试列出二能级系统的速率方程组（设能级简并度f1=f2）。

(3)分析二能级系统能否实现粒子数反转。

3. 计算题(选做3小题，每小题15分)[45]3.1 What would be the output intensity of a helium-neon laser operating at 632.8 nm if ithas a small-signal gain of 0.15/m? The laser has two mirrors of reflectivity 99.99% and 98%, a gain-medium length of 0.2 m, and essentially no scattering losses.3.2 A Nd:YVO4 laser operating in a pulsed mode at 1.06 μm is placed in a cavity with mirrors of 95% at each end of the laser. The scattering losses are determined to be 0.4% per pass. If the laser produces output pulses of 200-μs duration in a beam of diameter 6 mm and if the small-signal gain is measured to be 20% per pass, what would be the energy of the pulses emerging from the laser?3.3 Nd3+ ions are doped into YAG at a 1% atomic concentration, which corresponds toadensity of Nd atoms of 1.38×1026 per cubic meter in the laser rod. If all of these atoms were instantly pumped to the upper laser level and then began to radiate, what would be the radiated energy per cubic meter and the average power per cubic meter radiated from this material at the emission wavelength of 1.06 μm? if the power radiated from one cubic centimeter could be concentrated into a spot 1 mm in diameter, what would be the intensity(power/m)3.4 长度为10 cm的红宝石棒置于长度为22 cm的光谐振腔中，红宝石694.3 nm谱线的自发辐射寿命τs≈4ms,均匀加宽线宽为2×105 MHz,，光腔单程损耗δ=0.2。

求：(1) 阈值反转粒子数密度Δnt；(2) 当光泵激励产生反转粒子数密度Δn = 1.25Δnt 时，有多少个纵模可以振荡(红宝石折射率为1.76); (3) 假设红宝石棒的横截面为1cm2, 其中Cr3+ 离子浓度为2×1019 cm-3，采用调Q技术获得T = 10 ns 的巨脉冲输出，试估算理想情况下可获得的激光脉冲能量和峰值功率。

3.5 一内腔式He-Ne 激光器腔长L = 500 mm，ΔνF = 1500 MHz，在一定的泵浦功率下，测得最大增益系数gmax = 2×10-4 mm-1，忽略腔内其它损耗。

试问(1)要产生激光振荡，输出端的透过率不得超过多少? (2) 若输出端的透过率T =0.1时，腔内有可能形成多少个纵模振荡?4. 创意题：试以任何表现形式（注意别违反考场纪律）最有效、最大限度地展示你对这门课理解的程度（深度、广度）（选做题）[附加分]1．基本概念题(选做5小题，每小题5分)[25]1.1激光具有哪些基本特性？试举3个应用实例，并说明各自应用了激光的哪方面特性。

1.2三能级系统和四能级系统的主要区别是什么？就两系统各举一典型实例.1.3何谓调Q技术？调Q技术有哪些主要实现方法？1.4 对于线宽为Δν的洛仑兹函数和高斯函数，│ν-ν0│为多大时，这两个函数值相等？在什么频率范围内，洛仑兹函数值大于高斯函数值？1.5 试辨析激光振荡器、激光放大器和激光器的区别。

1.6 何谓有源腔和无源腔？为什么激光的谱线总是有一定的宽度？1.7 小信号增益系数和大信号增益系数有何不同，如何区分？小信号的增益系数对激光输出功率有什么影响？2. 综合思考题(选做2小题，每小题15分)[30]2.1 一均匀加宽的连续激光器，腔长为L，工作物质为三能级系统，其长度为l，折射率η＝1，两反射镜的光强反射率分别为r1 = 1，r2 < 1，腔内损耗系数为α，激光的起振频率为ν，均匀加宽的线宽为ΔνH，各能级间的跃迁系数分别在能级图上给出。

R1和R2为泵浦速率，工作物质的原子系统的总粒子数为n，各能级的简并度为f1 = f3 = 1, f2 = 2。

(1) 试列出该激光器的速率方程。

(2) 在R1和R2恒定的条件下，求稳态时腔中的光子数密度N。

(3) 若工作物质的有效截面积为πD2/4，在忽略光子的横向和纵向不均匀的情况下，求出激光器的稳态输出功率表达式。

2.2 设有两束频率分别为ν0 + δν和ν0 - δν，光强为I1及I2的强光沿相同方向或相反方向通过中心频率为ν0的非均匀加宽的气体增益介质(I1 > I2)。

(1)试分别画出反转粒子数按速度vz的分布曲线Δn(vz)，并标出烧孔位置及烧孔深度。

(2)试问有效泵浦功率或气体的气压变化，对分布曲线Δn(vz)有何影响？2.3 选模复合腔如图所示，M、M1、M2为全反镜，M3为部分透射镜。

(1)试分析其选模原理和条件；(2)如腔内增益介质振荡线宽为Δνosc, 为了获得单纵模输出，l1、l2应如何选择？3. 计算题(选做3小题，每小题15分)[45]3.1 What would be the output intensity of a helium-neon laser operating at 632.8 nm if ithas a small-signal gain of 0.15/m? The laser has two mirrors of reflectivity 99.99% and 97%, a gain-medium length of 0.4 m, and essentially no scattering losses. (We assume that the dominant broadening is Doppler broadening and the laser has the saturate intensity of 15W/cm2)3.2 What would be the threshold inversion density Δnth for a Nd:YAG laser if it has twomirrors of reflectivity 99.99% and 50%, a gain-medium length of 10 cm, and essentially no scattering losses? The laser has a stimulated emission cross section σ21 of 2.8×10-23 m2 .3.3 计算在理想的情况下，长度为10 cm，横截面为1 cm2 , Cr3+ 离子浓度为2×1019cm-3的红宝石调Q激光器可能获得最大光能量是多少？对于具有相同几何尺寸，含相同离子浓度（Nd3+）的钕玻璃激光器可能获得最大光能量是多少？若巨脉冲宽度为T = 10 ns，则腔内激光的峰值功率又为多少？红宝石激光器和钕玻璃激光器的输出激光波长分别为694.3 nm 和1.06 μm。

3.4 一内腔式He-Ne 激光器腔长L = 50 cm，ΔνF = 1.5 GHz，在一定的泵浦功率下，测得最大增益系数gmax = 0.15 m-1，忽略腔内其它损耗。

试问(1)要产生激光振荡，输出端的透过率不得超过多少? (2) 若输出端的透过率T = 0.1时，腔内有可能形成多少个纵模振荡?4. 创意题：试以任何表现形式（注意别违反考场纪律）最有效、最大限度地展示你对这门课理解的程度（深度、广度）（选做题）[附加分]1．基本概念题 (每小题5分) [25]1.1 The active medium ① an incident E. M. wave. The optical resonator ②part of the induced emission, ③ within a few resonator modes. The energypump ④ pumps energy into the active medium to populate selected levels andto achieve ⑤ .1.2 任何一个共焦腔与⑥个稳定球面腔等价，而任何一个满足稳定条件的球面腔⑦等价于⑧个共焦腔，并与⑨个其他稳定球面腔等价。