激光原理及應(yīng)用試卷

1、激光原理及應(yīng)用考試時(shí)間：第18 周星期五（2007年1月5日）一單項(xiàng)選擇（30分）1 自發(fā)輻射愛因斯坦系數(shù)與激發(fā)態(tài) E2平均壽命T的關(guān)系為（B ）2愛因斯坦系數(shù)珞和B21之間的關(guān)系為（C)3 自然增寬譜線為（C ）（A）高斯線型（B）拋物線型(C)洛侖茲線型 （D）雙曲線型4 對(duì)稱共焦腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為(B)(A) (-1 , -1 )( B)(0, 0)(C)(1,1)(D) (0, 1)5 閾值條件是形成激光的（C)（A）充分條件 （B）必要條件 （C）充分必要條件（D）不確定6 諧振腔的縱模間隔為（B ）7對(duì)稱共焦腔基模的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為（C ）8諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q衡量腔的（C ）（A）質(zhì)

2、量?jī)?yōu)劣（B）穩(wěn)定性（C）儲(chǔ)存信號(hào)的能力（D）抗干擾性9 鎖模激光器通?？色@得（A）量級(jí)短脈沖10. YAG激光器是典型的（C）系統(tǒng)（A）二能級(jí) （B）三能級(jí)(C)四能級(jí)（D）多能級(jí)二填空（20分）1. 任何一個(gè)共焦腔與 等價(jià)，而任何一個(gè)滿足穩(wěn)定條件的球面腔 地等價(jià)于一個(gè)共焦腔。（4分）2 .光子簡(jiǎn)并度指光子處于 、。（4分）3 激光器的基本結(jié)構(gòu)包括三部分，即 、 和 。 （3分）4. 影響腔內(nèi)電磁場(chǎng)能量分布的因素有 、。（3 分）5. 有一個(gè)諧振腔，腔長(zhǎng)L=1m在1500MT的范圍內(nèi)所包含的縱模個(gè)數(shù)為 個(gè)。（2分）6. 目前世界上激光器有數(shù)百種之多，如果按其工作物質(zhì)的不同來(lái)劃分， 則可分為四大

3、類，它們分別是 、和o （4分）三、計(jì)算題（42分）1. （8分）求He-Ne激光的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。已知= 6328?, 1/f（）= 109Hz,= 1,設(shè)總損耗率為，相當(dāng)于每一反射鏡的等效反射率 R= l - L=%，= 10，腔長(zhǎng) L=。2. （12分）穩(wěn)定雙凹球面腔腔長(zhǎng)L= 1m,兩個(gè)反射鏡的曲率半徑大小分別為 R = ,R2= 3m求它的等價(jià)共焦腔腔長(zhǎng)，并畫出它的位置。3. （ 12分）從鏡面上的光斑大小來(lái)分析，當(dāng)它超過(guò)鏡子的線度時(shí)，這樣的橫 模就不可能存在。試估算在 L= 30cm, 2 a=的He-Ne激光方形鏡共焦腔中所 可能出現(xiàn)的最高階橫模的階次是多大？4. 4. （10

4、分）某高斯光束的腰斑半徑光波長(zhǎng)。求與腰斑相距 z=30cm處的光 斑及等相位面曲率半徑。四、論述題（8分）（8分）試畫圖并文字?jǐn)⑹瞿Ｊ礁?jìng)爭(zhēng)過(guò)程激光原理及應(yīng)用（A）卷答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：一、（30 分）BCCBCBCCAC】、（20分）1.無(wú)窮多個(gè)穩(wěn)定球面腔（2分）唯一（2分）1. 處于一個(gè)光子態(tài)的平均光子數(shù)（1分）處于同一模式的光子數(shù)（1分）相干體積內(nèi)偏振一樣的光子數(shù)（1分）處于同一相格中的偏振一樣的光子數(shù)（1 分）3工作物質(zhì)、激勵(lì)能源、光學(xué)諧振腔（3分）4.（1分）（1分）（1分）5. 10（2 分）6 .固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器（4分）三（42分）1 （8 分）解；2

5、（12 分）解：假設(shè)所要求的等價(jià)共焦腔的共焦參數(shù)為f，以等價(jià)共焦腔中點(diǎn)為z坐標(biāo)的原點(diǎn)，M, M兩鏡的z坐標(biāo)為乙和Z2,有代入數(shù)值 L= 1m, R1= 1.5m,R2 = 3mf得：（3 分） 等價(jià)共焦腔腔長(zhǎng)（1分）（4 分）位置如上圖所示。3 . （12 分）解：高階模沿x,y方向的光斑半徑分別為 （2分）基模光斑半徑：（3分）橫模存在時(shí)，要求滿足（2分）即:（ 2分）即,同理有：故可能出現(xiàn)的最高階橫模的階次是 7。（ 3分）4（ 10分）解：光斑半徑：等相位面曲率半徑四、論述題（8分）1. （8 分）答：圖中q-1 , q-2 , q, q+1, q+2 5個(gè)縱模滿足閾值條件，隨著外 界激

6、發(fā)的增強(qiáng)，則縱模的光強(qiáng)增長(zhǎng)，但是，光強(qiáng)增加時(shí)，引起增益飽和 作用，增益一一頻率下降，曲線變扁，使曲線1變?yōu)榍€2, q-2 , q+2滿足閾值。（1分）光強(qiáng)繼續(xù)增加時(shí)，曲線2變?yōu)榍€3,使q-2 , q+2的增益小于閾 值，不再振蕩，而q-1 , q+1滿足閾值。（1分）光強(qiáng)繼續(xù)增加時(shí)，曲線3變?yōu)榍€4,使q-1 , q+1的增益小于閾值， 不再振蕩，則只剩下q模滿足閾值條件獲得 輸出。這種通過(guò)增益飽和效應(yīng)， 靠近譜線中心頻率的縱模逐漸把 其他縱模抑制掉的過(guò)程就是模式 競(jìng)爭(zhēng)。（3分）（3分）廣東工業(yè)大學(xué)考試試卷（B ）課程名稱：激光原理及應(yīng)用考試時(shí)間：第18 周星期五（2007年1月5日） 一

7、單項(xiàng)選擇（30分）1 在一定溫度下，自發(fā)輻射幾率是受激輻射幾率的（ B ）倍2 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)微觀粒子滿足（D ）（A）費(fèi)米分布（B）高斯分布（C）玻爾茲曼分布（D）負(fù)溫度分布3 碰撞增寬譜線為（C ）（A）高斯線型 （B）拋物線型 （C）洛侖茲線型 （D）雙曲線型4. CO譜線的多普勒增寬為53MHz中心頻率所對(duì)應(yīng)的譜線函數(shù)極大值為 （A ）5平行平面腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（C ）（A） （-1 , -1 ）（ B）（0, 0）（ C） （1,1） （D） （0, 1）6. 諧振腔的縱模共振頻率為（A ）7 對(duì)稱共焦腔基模光腰為（A ）8. 對(duì)同一種介質(zhì)，小信號(hào)增益系數(shù)隨（B ）變化（A）

8、譜線寬度 （B）激發(fā)功率 （C）粒子數(shù)密度（D）自發(fā)輻射幾率9. 調(diào)Q激光器通常可獲得（C ）量級(jí)短脈沖10. 紅寶石激光器是典型的（B ）系統(tǒng)（A）二能級(jí) （B）三能級(jí) （C）四能級(jí)（D）多能級(jí)二. 填空（20分）1. 激光束的基本特性是 、分）2. 光和物質(zhì)相互作用產(chǎn)生受激輻射時(shí)，輻射光和照射光具有完全相同的特性, 這些特性是指和 。（4分）3 激光腔振蕩模的特征是 、。 （4分）4. He-Ne激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)，有三條主要激光譜線，其激光譜線及波 長(zhǎng)分別為、。（ 6分）5 若光束通過(guò)1m長(zhǎng)的激光介質(zhì)以后，光強(qiáng)增大了一倍，此介質(zhì)的增益系數(shù)G為（ 2 分）三、計(jì)算題（44分）1. （

9、8分）靜止氖原子譜線中心波長(zhǎng)為，求當(dāng)它以速度向觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，中心波 長(zhǎng)變?yōu)槎啻螅?. （8分）腔長(zhǎng)為的氬離子激光器，發(fā)射中心頻率=IO 1°Hz,熒光線寬=6 I0 *Hz,問(wèn)它可能存在幾個(gè)縱模？相應(yīng)的q值為多少？（設(shè)=1）3. （20分）某激光器采用平凹腔，腔長(zhǎng) L= 1m凹面鏡曲率半徑R= 2m求：（1）它產(chǎn)生的基模高斯光束的腰斑半徑及腰斑位置。（2）它產(chǎn)生的基模高斯光束的焦參數(shù)。（3）它產(chǎn)生的基模高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。4, （8分）He-Ne激光器輻射6328?光波，其方形鏡對(duì)稱共焦腔，腔長(zhǎng) L=。腔內(nèi) 同時(shí)存在，橫模。若在腔內(nèi)接近鏡面處加小孔光闌選取橫模，試問(wèn)：（1）如只使

10、模振蕩，光闌孔徑應(yīng)多大？ （2）如同時(shí)使，模振蕩而抑制振蕩，光闌孔徑應(yīng)多大？四論述題（6分）1. （6分）試述調(diào)Q激光器原理激光原理及應(yīng)用（B）卷答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：一. （30分）BDCACAABCB二. （20分）1. 方向性好、單色性好、相干性好、高亮度 （4分）2. 相位、頻率、偏振態(tài)、 傳播方向。（4分）3.4. 3S2P（2分）2S2P（2分）3S3P（2分）5.G=ln2 m-1（2分）三（ 44分）1 （8分）解：由多譜勒效應(yīng)：，（兩者相互接近時(shí)，即相向時(shí)，）（4分）（4分）2. （8分）解：，（2分（2分）則可能存在的縱模數(shù)有三個(gè)，它們對(duì)應(yīng)的 q值分別為:q+ 1= 195000

11、1,q 1 = 19499993 （ 20 分）解：（1）它產(chǎn)生的基模高斯光束的腰斑半徑及腰斑位置。（3分）代入各數(shù)值得：f = 1cm（1分）又 R= 2m= 2L可見此平凹腔為半共焦腔（2分）腰斑半徑為：（3分）設(shè)平面鏡距腰斑位置為，凹面鏡距腰斑位置為，則 （4分）可見腰斑位置z=0剛好在平面鏡處。（1分）（2）它產(chǎn)生的基模高斯光束的焦參數(shù)。其產(chǎn)生的基模高斯光束的焦參數(shù)即為產(chǎn)生高斯光束的共焦腔焦參數(shù)，即 f = 1cm（1 分）（3）它產(chǎn)生的基模高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角：4 （8分）解：（1）TEM0。模在鏡面處的光斑半徑為所以光闌孔徑應(yīng)該為（4分）TEM11模在鏡面處的光斑半徑為（4分）所以

12、光闌孔徑為四. （6分）1 （6分）答：初始時(shí)腔的Q值很低，使腔內(nèi)的損耗變大，上能級(jí)不斷積累大量粒子。 當(dāng)在一定的外界激發(fā)功率下，上能級(jí)上的粒子數(shù)積累到最大值，（3分）突然使諧振腔的Q值變高，這時(shí)激光器的閾值突然降低，聚集在上能級(jí)上的粒子 立即以極高的速度以雪崩的方式躍遷到低能級(jí)上，在瞬間形成極高的光脈沖峰值 功率。（3分廣東工業(yè)大學(xué)考試試卷（A ）課程名稱：激光原理與技術(shù) 試卷滿分100 分考試時(shí)間：2007年6月18日（第16周 星期 一）一、選擇題（每題3分，共30分）1. 世界上第一臺(tái)激光器是（）（A）氦氖激光器.（B） 二氧化碳激光器.（C） 釹玻璃激光器. （D）紅寶石激光器.（E

13、）砷化傢結(jié)型激光器.2. 按照原子的量子理論，原子可以通過(guò)自發(fā)輻射和受激輻射的方式發(fā)光，它們 所產(chǎn)生的光的特點(diǎn)是：（）（A）兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光是相干的， 原子受激輻射的光與入射光 是不相干的.（B）兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光是不相干的，原子受激輻射的光與入射光是相干的.（C）兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光是不相干的，原子受激輻射的光與入射光是不相干的.（D）兩個(gè)原子自發(fā)輻射的同頻率的光是相干的， 原子受激輻射的光與入射光 是相干的.3. 氦-氖激光器屬于典型的（）系統(tǒng)（A）二能級(jí) （B）三能級(jí) （C）四能級(jí)（D）多能級(jí)4. 體積，線寬，中心波長(zhǎng)60nm，模式數(shù)目為（）5. 多普勒加寬

14、發(fā)生在（）介質(zhì)中（A）固體（B）液體（C）氣體（D）等離子體6. 半共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為（）（A） （-1，-1 ）（ B）（0, 0）（ C） （1,1）（D） （0，1）7. 對(duì)于均勻增寬介質(zhì)，中心頻率處小信號(hào)增益系數(shù)為，當(dāng)時(shí)，飽和顯著，非小信號(hào)中心頻率增益系數(shù)為：（）（A）（B）（C）（D）8. 平凹腔，其凹面鏡的半徑R等于腔長(zhǎng)L,它是（）（A）穩(wěn)定腔 （B）臨界腔 （C）非穩(wěn)腔（）（B）維恩公式（D）愛因斯坦公式9.能夠完善解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)曲線的是（A）瑞利-金斯公式（C）普朗克公式10.腔長(zhǎng)為米,卩=,縱模間隔為（）（A）（B）（C）（D）二、填空題（共20分）1. 穩(wěn)定腔的一塊

15、反射鏡的曲率半徑 R1= 4L,求另一面鏡的曲率半徑取值范圍2. 一共焦腔（對(duì)稱）L=，入二 m束腰半徑，離腰56cm處的光束有效截面半徑為 。（5分）3. 下圖是紅寶石的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷示意圖2分，共10分）請(qǐng)說(shuō)明圖中以下符號(hào)的意義，（每空W 呂 E Ai。三、計(jì)1. （12分）（1） 一質(zhì)地均勻的材料對(duì)光的吸收為、光通過(guò) 10cm長(zhǎng)的該材料后，出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的百分之幾 ？ （2）光束通過(guò)長(zhǎng)度為1m的均勻激活 的工作物質(zhì)，如果出射光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的兩倍，試求該物質(zhì)的增益系數(shù)。2. （14分）試從式出發(fā)，證明用最佳透射率表示的非均勻增寬激光器的最佳輸出 功率為：3. （14分）考慮一用于氬離子

16、激光器的穩(wěn)定球面腔，波長(zhǎng)入二 m腔長(zhǎng)L= 1m腔鏡曲率半徑R=，R=4m試計(jì)算光腰尺寸和位置及焦參數(shù)。四、簡(jiǎn)答題（10分）1.連續(xù)激光器穩(wěn)定工作時(shí)的增益系數(shù)是否會(huì)隨泵浦功率的提高而增加？為什 么？廣東工業(yè)大學(xué)試卷參考答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（）課程名稱：激光原理與技術(shù)?？荚嚂r(shí)間：2007年6月18日（第16周星期一） 單項(xiàng)選擇題（每題3分，共30分）1（ D ）、2（ B ）、3 （ C ）、4 （ C ）、5 （ C ）6（ D）、7 （ C）、8 （ B ）、9 （ C）、10 （ B）二、填空題（20分）1. （5分）2 （5 分3 .（每空2分，共10分） 受激吸收幾率（激勵(lì)幾率）受激發(fā)射幾率激

17、光上能級(jí)、基態(tài)能級(jí)，又是激光下能級(jí)，也是抽運(yùn)能級(jí)、 自發(fā)發(fā)射幾率三、計(jì)算題（共40分）解：（1） （12 分）（2 分）（3分）（2）（2 分）（2分）（3分）2. （14分）證明：由，等式兩邊對(duì)t求導(dǎo)，并令其為零（3分）得：（3分）整理上式可得：，即：（3分）式中t即為最佳透射率t m，則最佳輸出功率（2分）（3分）3 （14 分）解：（1）束腰半徑（3分）（2）束腰位置m（2分）（3）兩鏡面上的光斑尺寸分別為:（3分）（3分）(4)焦參數(shù)（3分）四、簡(jiǎn)答題(10分)1 答：不會(huì)(2分)因?yàn)檫B續(xù)激光器穩(wěn)定時(shí)增益系數(shù)為,G為小信號(hào)增益系數(shù)，I為腔內(nèi)光強(qiáng)，is為飽和光強(qiáng)。 (3分)因此，當(dāng)滿足閾

18、值條件以后，當(dāng)外界的泵浦功率增加時(shí)，腔內(nèi)光強(qiáng)增加， 引起增益飽和作用，則增益下降。(2分)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，激光器的增益系數(shù)保持與閾值相等，不會(huì)隨泵浦功率的 提高而增加。廣東工業(yè)大學(xué)考試試卷(B )課程名稱：激光原理與技術(shù) 試卷滿分100 分考試時(shí)間：2007年6月18日(第16周星期一)一、單項(xiàng)選擇題(每題3分，共30分)1.原子受激輻射的光與外來(lái)引起受激輻射的光具有相同的()頻率、發(fā)散角、量子狀態(tài)、偏振、傳播方向(A)(B)(C)(D)2. 在激光器中利用光學(xué)諧振腔()(A) 可提高激光束的方向性，而不能提高激光束的單色性.(B) 可提高激光束的單色性，而不能提高激光束的方向性.(C) 可同時(shí)

19、提高激光束的方向性和單色性(D) 既不能提高激光束的方向性也不能提高其單色性.3. 自然加寬是由于()引起(B)粒子的碰撞(D)粒子的振動(dòng)A)激發(fā)態(tài)有一定的壽命(C)多普勒效應(yīng)4. 多普勒加寬寬度可表示為()(A)(B)(C)(D)5. 一平凹腔，其凹面鏡的半徑R小于腔長(zhǎng)L,它是()A)穩(wěn)定腔(B)臨界腔(C)非穩(wěn)腔6對(duì)稱共心腔在穩(wěn)定圖上的坐標(biāo)為()(A) (-1，-1 )( B)(0, 0)( C) (1, 1)(D) (0，1)7.8.在方型對(duì)稱情形，TEM對(duì)應(yīng)的花樣（A）（ B）（ C）在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光器穩(wěn)定狀態(tài)（A）增益系數(shù)隨泵浦功率增加（C）小信號(hào)增益系數(shù)隨光強(qiáng)增加）（D）（B）增益系

20、數(shù)隨光強(qiáng)增加而減少（D）增益系數(shù)等于閾值增益系數(shù)(E)9.設(shè)均勻增寬型介質(zhì)的小訊號(hào)增益曲線的寬度為，當(dāng)時(shí)的穩(wěn)定工作時(shí)訊號(hào) 增益曲線的線寬為（）10.鎖模激光器輸出脈沖功率，為：（）（A）脈沖數(shù)目.（B）縱模數(shù)目.（C）橫模數(shù)目.（D）能級(jí)數(shù)目二、填空題（共20分）1. 要制作一個(gè)腔長(zhǎng)L=60cm的對(duì)稱穩(wěn)定腔，反射鏡的曲率半徑取值范圍R（5 分）2. 連續(xù)工作的CO激光器輸出功率為50W有效截面內(nèi)的功率），聚焦后的基模有效截面直徑二50 m每平方厘米平均功率為.（5 分）3請(qǐng)完成下面的表格 激光器工作物名稱質(zhì)粒子（每格2分，共10分） 工作物激光譜線波長(zhǎng) 質(zhì)形態(tài)能級(jí)系統(tǒng)激勵(lì)方式類型紅寶石固態(tài)二能級(jí)系統(tǒng)He-NeNe 原子能量的共振轉(zhuǎn)移三、計(jì)算題（40分）1. （12分）He-Ne激光器的中心頻率1014Hz，熒光線寬f= 10 9Hz。今腔長(zhǎng) L= Im，問(wèn)可能輸出的縱模數(shù)為若干？為獲得單縱模輸出，腔長(zhǎng)最長(zhǎng)為多少？2. （14分）（1）試求出方形鏡對(duì)稱共焦腔鏡面上模的節(jié)線位置的表達(dá)式（腔長(zhǎng)L、 光波波長(zhǎng)、方形鏡邊長(zhǎng)a）（2）這些節(jié)線是否等間距？3. （14分）某諧振腔的幾何參數(shù)分別是、及.（1）這是哪一類型諧振腔？（2）試求其等價(jià)對(duì)稱共焦腔的參數(shù)（f ） （3）請(qǐng)?jiān)谕粋€(gè)