激光原理與技術(shù)重新學(xué)習(xí)2012答案

1、電子科技大學(xué)2012-2013學(xué)年第1學(xué)期 重新學(xué)習(xí) 考試課程名稱：_激光原理與技術(shù)_ 考試形式： 考試日期： 2013年1月 14日 考試時(shí)長(zhǎng)：120分鐘本試卷試題由_部分構(gòu)成，共_頁(yè)。題號(hào)一二三四五六七八九十合計(jì)得分得 分一、選擇題（共20分，共 10題，每題2 分）1. 下列哪個(gè)實(shí)驗(yàn)不能反映光的量子性： C 。A. 黑體輻射 B. 光電效應(yīng) C. 牛頓環(huán) D. 普朗克散射2. 關(guān)于激光振蕩，下列哪種說(shuō)法是正確的： C 。A. 集居數(shù)反轉(zhuǎn)是激光振蕩的充分條件； B. 只有駐波腔才能產(chǎn)生激光振蕩； C. 集居數(shù)反轉(zhuǎn)是激光振蕩的必要條件； D. 激光振蕩閾值與諧振腔損耗無(wú)關(guān)。3. 與普通光源相

2、比，下列哪一個(gè)不是激光的特性： D 。A. 相干性好 B. 光子簡(jiǎn)并度高 C. 同一模式內(nèi)光子數(shù)多 D. 功率高4. 對(duì)于開放光學(xué)球面兩鏡腔，下列哪一個(gè)不是諧振腔穩(wěn)定性條件： B 。A. B. C. D. 5. 下列哪一個(gè)參數(shù)與諧振腔的損耗有關(guān)： A 。A. 腔內(nèi)光子平均壽命 B. 受激發(fā)射截面 C. 上能級(jí)壽命 D. 諧振腔共焦參數(shù)6. 下列哪種加寬不屬于均勻加寬： B 。A. 自然加寬 B. 晶格缺陷加寬 C. 碰撞加寬 D. 晶格振動(dòng)加寬7. 關(guān)于受激發(fā)射截面，下面表述哪一個(gè)是錯(cuò)誤的： C 。A. 是具有面積量綱的物理量 B. 與入射光頻率有關(guān)C. 是原子橫截面的面積D. 受激躍遷速率與

3、受激發(fā)射截面成正比8. 激光器的閾值增益系數(shù)與下列哪一個(gè)參數(shù)有關(guān)： D 。A. 小信號(hào)增益 B. 自然加寬譜線寬度 C. 受激發(fā)射截面 D. 諧振腔損耗9. 在KDP晶體的縱向電光調(diào)制中，半波電壓與下列哪個(gè)參數(shù)無(wú)關(guān)： A 。A. 晶體尺寸 B. 激光波長(zhǎng) C. 晶體電光系數(shù) D. 晶體折射率10. KDP晶體沿z軸加電場(chǎng)時(shí)，由單軸晶體變成雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞z軸旋轉(zhuǎn)了 A 。A. 45° B. 60° C. 90° D. 180°得 分二、填空題（共20分，共 20空，每空1 分）1. 在光與物質(zhì)的三種相互作用中， 受激輻射 是產(chǎn)生激光的主要機(jī)制

4、，而 自發(fā)輻射 所產(chǎn)生的光為非相干光。2. 在三維空腔中，模式數(shù)目與頻率的 平方 成正比，這個(gè)現(xiàn)象稱為 頻譜濃縮 。3. 任何一個(gè)共焦腔可以與 無(wú)窮多 個(gè)穩(wěn)定球面鏡腔等價(jià)，而任何一個(gè)穩(wěn)定球面鏡腔只能有 一 個(gè)等價(jià)共焦腔。4. 在 旁軸 近似下，高斯光束是赫姆霍茲方程的解。5. 在采用KDP晶體的縱向電光調(diào)制系統(tǒng)中，使用 四分之一 波片使得通過晶體后的兩偏振分量產(chǎn)生附加相位差為 p/2 ，使調(diào)制器工作在T=50%的偏置點(diǎn)上。6. 在布拉格聲光衍射中，只有入射角等于布拉格角時(shí)，在聲波面上衍射的光波才滿足 相干加強(qiáng) 條件，得到衍射極值。7. 在常規(guī)調(diào)Q激光器中，當(dāng)諧振腔損耗很高時(shí)，激光器不能振蕩，增

5、益介質(zhì)中的 反轉(zhuǎn)粒子數(shù) 不斷增大并達(dá)到極大值，而后瞬間 增大 諧振腔的Q值，激光器起振并輸出巨脈沖。8. 可飽和吸收體是一種非線性吸收介質(zhì)，在較強(qiáng)激光作用下，其 吸收系數(shù) 隨光強(qiáng)的增加而減小直至飽和，利用該特性可將其作為 被動(dòng) 調(diào)Q元件。9. 鎖模激光器的輸出脈沖周期等于 諧振腔環(huán)程時(shí)間 ，脈沖寬度 反比 于被鎖定的縱模數(shù)量。10. 被動(dòng)鎖模激光器中，由不規(guī)則脈沖演變到鎖模脈沖的物理過程大致分為三個(gè)階段：線性放大階段、非線性吸收階段 、 非線性放大階段 。11. 用于倍頻、差頻、和頻、光學(xué)參量振蕩的晶體都是 非對(duì)稱性 很大的晶體；為獲得高效的倍頻，必須滿足 相位 匹配條件。得 分三、簡(jiǎn)答題（

6、共10分）1寫出激光的自激振蕩條件。(4分)答：2寫出聲光體調(diào)制器的三個(gè)主要組成部分。(3分)答：聲光介質(zhì)（1分），電聲換能器（1分），吸聲裝置（1分）。3列舉三種實(shí)現(xiàn)調(diào)Q的方式。(3分)答：電光調(diào)Q（1分），聲光調(diào)Q（1分），被動(dòng)可飽和吸收調(diào)Q（1分）。得 分四、簡(jiǎn)述題（ 共30分） 1畫出三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖，說(shuō)明為什么四能級(jí)系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。(10分)答：三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖分別如下圖所示： （3分） （3分） （三能級(jí)） （四能級(jí)）三能級(jí)系統(tǒng)的激光下能級(jí)為基態(tài)能級(jí)，正常情況下基態(tài)能級(jí)集中了幾乎所有的粒子數(shù)，需要將至少一半的粒子泵浦到高能級(jí)，而后再弛豫到激光上

7、能級(jí)才能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。(2分) 四能級(jí)系統(tǒng)的激光下能級(jí)粒子數(shù)可近似為0，有少量粒子泵浦到激光上能級(jí)即可形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因而比三能級(jí)系統(tǒng)要容易的多(2分) 2畫出帶偏振器的電光調(diào)Q激光器的結(jié)構(gòu)圖，并簡(jiǎn)述其工作原理。(10分)答：激光器結(jié)構(gòu)圖如下： （4分）（1） YAG晶體在氙燈的光泵下發(fā)射自發(fā)輻射光，經(jīng)過偏振棱鏡后變成x方向線偏振光。若電光晶體上施加l/4電壓，沿x方向的線偏振光通過晶體后，變成圓偏振光，經(jīng)全反射鏡反射回來(lái)，再次通過調(diào)制晶體，變成沿y方向振動(dòng)的線偏振光，不能再通過偏振棱鏡，電光Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。(3分)（2） 待激光上能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)積累到最大值時(shí)，

8、突然撤去晶體上的l/4電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)，產(chǎn)生雪崩式的激光振蕩，就可輸出一個(gè)巨脈沖。(3分) 3評(píng)述均勻加寬與非均勻加寬的本質(zhì)區(qū)別，說(shuō)明均勻加寬激光器易獲得單縱模振蕩的原因（不考慮空間燒空效應(yīng)）。(10分)答：（1）對(duì)于均勻加寬，加寬的物理機(jī)制和譜線加寬的結(jié)果對(duì)每個(gè)原子都是相同的；自發(fā)輻射頻譜分布上的任何頻率處的光，都是所有原子發(fā)光的共同貢獻(xiàn)，而不是僅僅哪些原子發(fā)光的貢獻(xiàn)。(3分)對(duì)于非均勻加寬，可以將原子進(jìn)行分類，同類原子具有相同的均勻加寬，不同類原子均勻加寬的中心頻率不同；自發(fā)輻射頻譜分布上的光，不同頻處的光是某一類原子發(fā)光的貢獻(xiàn)，與其它原子無(wú)關(guān)。(3分)（2）如果有強(qiáng)光存在

9、，均勻加寬的增益系數(shù)會(huì)整體下降。就是說(shuō)即使不在強(qiáng)光頻率處，增益系數(shù)也會(huì)下降。因此在激光器起振過程中，最靠近中心頻率的縱模優(yōu)先起振，在穩(wěn)態(tài)下其增益與損耗相等，而由于增益曲線整體下降的特性，其他縱模的增益小于損耗，不能起振，從而獲得單縱模振蕩(4分)得 分五、計(jì)算證明題（ 共20分）1證明：在判別諧振腔穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)長(zhǎng)度為，折射率為的增益介質(zhì)棒，可等效成長(zhǎng)度為的自由空間。(5分)證明：自由空間到介質(zhì)棒的界面的光線變換矩陣為：(1分)；光線在介質(zhì)棒內(nèi)傳播的變換矩陣為：(1分)；介質(zhì)棒到自由空間的界面的光線變換矩陣為：(1分)；則光纖穿過此介質(zhì)棒的變換矩陣為對(duì)比自由空間的光線變換矩陣，可知介質(zhì)棒的等效長(zhǎng)度為。(2分) 2如圖所示，波長(zhǎng)為l=1mm的激光器，全反射鏡的曲率半徑R=0.4m，距離全反射鏡a=0.1m處放置長(zhǎng)為b=75mm的介質(zhì)棒，其折射率=1.5，棒的左右通光面上鍍?cè)鐾改?，介質(zhì)棒的右端面到輸出鏡的距離c=50mm，輸出鏡的厚度不計(jì)。（15分）1）判別腔的穩(wěn)定性；2）求輸出鏡上的光斑半徑；3）在距輸出鏡d=0.2m處放置F=0.1m薄透鏡，求經(jīng)