激光原理試題_知識點考必背

1、 激光原理課程考試題 一、填空題:(30分1. 通常三能級激光器的泵浦閾值比四能級激光器泵浦閾值高。3. 紅寶石激光器屬于 3 能級激光器。He-Ne激光器屬于4 能級激光器。4. 激光具有四大特性,即單色性好、亮度高、方向性好和相干性好。5. 激光器穩(wěn)態(tài)運轉時,腔內增益系數為閾值增益系數,此時腔內損耗激光光子的速率和生成激光的光子速率相等。6. 激光器的基本組成部分激活物質、激光諧振腔、泵浦源。激光產生條件:1.有提供放大作用的增益介質為激光工作物質,其激活粒子有適合于產生受激輻射的能級結構;2.體育外界激勵源,將下能級的粒子抽運到上能級,使激光上下能級之間產生粒子數反轉;3.有光學諧振腔,

2、增長激活介質的工作長度,控制光束的傳播方向,選擇被放大的受激輻射的能級結構。其中光學諧振腔的作用為:提高光的方向性、加長光在增益介質中行進的路徑以提高光能密度、形成共振產生的模提高相干性(或者填模式選擇、提高軸向光波模的反饋。7. 調Q技術產生激光脈沖主要有鎖模、調Q 兩種方法,調Q激光器通?？色@得ns量級短脈沖,鎖模有主動鎖模和被動鎖模兩種鎖模方式。8.固體激光器主要的泵浦源有(氪燈泵浦、(高效脈沖氙燈泵浦等。9.具有合適的能級結構和躍遷特性(或者填亞穩(wěn)態(tài)的原子結構,才能實現粒子數反轉。10.產生激光的工作物質包括(激活離子和(基質。11.引起譜線增寬的原因主要有三種,即自然展寬、碰撞展寬、

3、多普勒展寬;它們可分為兩大類,分別是均勻展寬、非均勻展寬。12.受激輻射激勵發(fā)射出的光子與外來光完全相同,即傳播方向相同,相位相同,偏振態(tài)相同,頻率相同。13.愛因斯坦提出的輻射場與物質原子相互作用主要有三個過程,分別是:自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射。14.CO2激光器中,含有氮氣和氦氣,氮氣的作用是提高激光上能級的激光效率,氦氣的作用的是有助于激光下能級的抽空。15.有源腔中,由于增益介質的色散,使縱模頻率與無源腔頻率縱模頻率更接近中心頻率,這種現象叫做頻率牽引。16.激光的線寬極限是由于自發(fā)輻射的存在而產生的,因而無法消除。17.粒子數反轉分布狀態(tài)微觀粒子滿足負溫度分布。18.碰撞增寬譜線

4、為洛倫茲線型。自然加寬是由于激發(fā)態(tài)有一定的壽命引起的。多普勒展寬發(fā)生在氣體介質中。19.第一臺激光器是紅寶石激光器。20.平行平面腔在穩(wěn)定圖上的坐標為(1,1。對稱共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標為(-1,-1。半共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標為(0,1,(1,0。21.諧振腔的品質因數Q是用來衡量腔的儲存信號的能力。閾值條件是形成激光的充分必要條件。22.光子簡并度指光子處于一個光子態(tài)的平均光子數、處于同一模式的光子數、相干體積內偏振一樣的光子數、處于同一相格中的偏振一樣的光子數。23.腔模經一次往返再現后保持原來的穩(wěn)態(tài)場分布稱為自再現模。24.全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三維成像,記錄的是物體

5、的相位。二、問答題:(70分1.畫出聲光調Q 激光器原理圖,說明聲光調Q 基本原理?(10分答:首先Q 開關關閉, 腔內聲光晶體衍射產生的損耗高,腔內Q 值低, 激光振蕩閾值高,激光不振蕩,上能級聚集大量反轉粒子:Q 開關迅速開啟,腔內損耗迅速下降,Q 值急劇升高,閾值迅速下降,反轉粒子數遠大于閾值反轉粒子數,上能級聚集大量反轉粒子變?yōu)榉逯倒β屎芨叩募す饷}沖。2. 畫出電光調Q 激光器原理圖,說明電光調Q 基本原理? 答.電光晶體兩端加一定電壓,使沿x 方向的偏振光通過電光晶體后,沿x 軸兩方向偏振光的位相差為/2,電光晶體相當于1/4波片,光束兩次通過電光晶體時,偏振方向旋轉90,偏振方向與

6、偏振片檢偏方向垂直,光束無法通過檢偏片,腔內損耗高,激光無法振蕩;突然撤除電壓后,損耗迅速下降,上能級反轉粒子數迅速轉化為激光脈沖輸出。3.什么是對成共焦腔,計算對成共焦腔g 參數.:答: 對成共焦腔:R 1=R 2=L對成共焦腔g 參數.:0111=-=R Lg 0212=-=R L g021=g g g4.說明均勻增寬和非均勻增寬的區(qū)別?說明為什么均勻增寬介質內存在模式競爭?(10分答:均勻增寬介質內每一個原子對譜線內任一頻率光波都有相同的貢獻, 所有原子對發(fā)射譜線上每一頻率的光波都有相同貢獻,所有原子的作用相同;非均勻增寬介質發(fā)射的不同的光譜頻率對應于不同的原子,不同的原子對中譜線中的不

7、同頻率有貢獻,不同原子的作用不同的(5分。均勻增寬激光介質發(fā)射譜線為洛侖茲線型,中心頻率處譜線增益最大,該頻率處附近縱模優(yōu)先起振,由于均勻增寬介質內每一個原子對譜線內任一頻率光波都有相同的貢獻,中心頻率處縱模振蕩發(fā)射激光將引起激光上能級原子數下降,激光增益曲線形狀不變,但整體下降,當中心頻率處縱模增益降低為激光振蕩閾值時,該處縱模穩(wěn)定輸出,其它頻率的縱模增益都小于閾值,無法振蕩。5.畫出電光強度調制原理圖,說明電光強度調制基本原理?(10分 答:電光調制器是利用某些晶體材料在外加電場的作用下所產生的電光效應而制成的器件。常用的有兩種方式:一種是加在晶體上的電場方向與通光方向平行,稱縱向電光效應

8、(也稱為縱向運用;另一種是通光方向與所加電場方向相垂直,稱橫向電光效應(也稱為橫向運用?？v向調制與橫向調制優(yōu)缺點縱向電光調制優(yōu)點是結構簡單,工作穩(wěn)定,無自然雙折射的影響,不需進行補償。其缺點是半波電壓太高,功率損耗較大。一般橫向調制器橫向運用時其半波電壓要低于縱向運用 ,但由于存在著自然雙折射引起的相位延遲,且隨溫度的漂移而改變,往往使已調波發(fā)生畸變,常采用“組合調制器”來進行補償。6.試畫圖并文字敘述模式競爭過程。答:假設只有q-1,q ,q+1三個縱模滿足振蕩 條件,這三個縱模的光均有增益,光強都在增強,整個增益曲線由小信號增益曲線G (v 開始下降。當降到曲線1時,對q+1模來說,增益已

9、經變得比G 閾低。這樣當下降到曲線2,q-1模也被抑制掉,只有q 模的光強繼續(xù)增強,最后變成曲線3的情形。這種通過增益飽和效應,靠近譜線中心頻率的縱模逐漸把其它縱模抑制掉的過程就是模式競爭。7.為什么一般來說均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器的輸出通常是單縱模的,而非均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器輸出通常是多個縱模?答:(1對于均勻增寬型介質激光器來說,每個發(fā)光粒子對形成整個譜線都有貢獻。當強度很大的光通過時,它會造成整個增益曲線按同一比例下降,通過增益的飽和效應模式之間會造成譜線競爭,最終只剩下與中心頻率靠的很近的那個模式,所以是單縱模的。(2對于非均勻增寬型介質激光器來說,某一個縱模的光強增強時,增益的飽和效

10、應并不引起整個增益曲線下降,而是在該縱模對應的頻率處燒一個孔,所以如果有多個縱模的小信號增益都大于閾值都大于閾值的話,這些縱模都可以建立起自己的振蕩,所以非均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器輸出通常是多個縱模。8.腔長為0.5m 的氬離子激光器,發(fā)射中心頻率0=5.85l014Hz ,熒光線寬=6l08 Hz ,問它可能存在幾個縱模?相應的q 值為多少? (設=1 (9分解:縱模間隔為:Hz L cq 881035.0121032=, 210310688=q n ,則可能存在的縱模數有三個,它們對應的q 值分別為: 68141095.11031085.522=c L q L qc ,q +1=195000

11、1,q -1=1949999 9.由凸面鏡和凹面鏡組成的球面腔,如圖。凸面鏡的曲率半徑為2m ,凹面鏡的曲率半徑為3m ,腔長為1.5m 。發(fā)光波長600nm 。(1判斷此腔的穩(wěn)定性;(2求出等價共焦腔的焦距f ;束腰 大小w 0及束腰位置; (3求出距凸面鏡右側5.125米處的束腰大小w 及波面曲率半徑R ;解: (1 激光腔穩(wěn)定條件 12(1(11.5 1.5(1(12378L L R R -=+-=此腔為穩(wěn)定腔。(2 (121222212 1.52 1.53 1.523 1.50.98441.52 1.53L R L R L R R L f L R L R -+-+-=-+-+-得, f

12、 = 0. 99221m (2112 1.53 1.5 1.1251.52 1.53L R L z L R L R -=-+-+-m 即束腰位置距R 1 右側1.125m 300.437010w m -= (3 距凸透鏡右側5.125米處,經計算為距束腰4米處。( 330.437010 1.810m -=w z w (41171 4.25144z f R z f m m f z =+=+= 10.已知W 0,L,F 。求通過透鏡后,Wc ,Rc 。 答:由ABCD 公式,q b R e q l b ,I m 0q w b 0z = 0q i f = 02w f =A 處 0a q q l =+

13、B 處 111a b q q f =-C 處 c b c q q l =+先求0,c c w q w (q 的定義211zR z z i q w =- 11.He Ne 激光器的中心頻率0=4.741014Hz ,熒光線寬=1.5l09Hz 。今腔長L =lm ,問可能輸出的縱模數為若干?為獲得單縱模輸出,腔長最長為多少? 答:Hz L cq 88105.11121032=,10105.1105.189=q n 即可能輸出的縱模數為10個,要想獲得單縱模輸出,則:m c L L c q 2.0105.1103298=,并使鏡面上的光斑尺寸s w =0.3cm ,問此時鏡的曲率半徑和腔中心光斑尺

14、寸多大?答:(1鏡面光斑尺寸(此時可把它看作對稱共焦腔: mm L s s 5977.22106.10621=- (2此時不能當作對稱共焦腔,但是仍然是對稱光學諧振腔,只是L R R R =21,根據(3-50式可得鏡面光斑尺寸為(舍去一個與L 近似相等的解:lL R 2 ( R - L ) 4 ws = p L(R - L )(2 R - L lL R2 R2 4 = = 2.5977 4 = 3 R 5.91m p L( 2 R - L 2 (2 R - 2 1 1 1 l L(R1 - L )(R2 - L )(R1 + R2 - L ) l L(2 R - L ) w0 = = 4 (

15、R1 + R2 - 2 L )2 p p （3） 2 2 1 4 1 4 = ( 10 .6 10 -6 p 2 (2 5.911 - 2 4 = 2.734 mm 4 1 2 14.請簡單比較常見的激光器（工作物質、能級特點、激勵方式、應用范圍） 。 答： （1）固體激光器：工作物質：摻雜離子的絕緣晶體或玻璃； 泵浦方式：光泵浦激勵； 特點：輸出能量大；峰值功率高；結構緊湊牢固耐用； 應用范圍：工業(yè)，國防，科研等，如焊接，全息照相，激光測距，雷達等； 分類：紅寶石激光器，釹玻璃激光器，摻釹釔鋁石榴石（YAG） 。 紅寶石激光器：它的吸收光譜特性只要取決于 Gr3+,是典型的三能級系統(tǒng)； YAG 激光器： 激活粒子是釹離子（Nd3+） ，是典型的四能級系統(tǒng)。 （2）液體激光器主要有染料激光器，工作物質：有機染料溶液； 能及結構：準連續(xù)態(tài)能級結構，每一個單態(tài)都對應有一個三重態(tài)； 泵浦方式：光泵浦激勵； 優(yōu)點：輸出光波可調諧；激光脈沖寬度很窄；輸出功率大；光學質量優(yōu)良； 應用范圍：光化學，光生物學，同位素分離，全息照相，光通信； （3）氣體激光器：工作物質：氣體或者蒸氣； 泵浦方式：共振轉移; 優(yōu)點：輸出光束質量好（單色性，相干性，方向性及穩(wěn)定性