激光的技術(shù)習(xí)題

激光原理與技術(shù)實驗YAG多功能激光實驗系統(tǒng)光路圖實驗內(nèi)容一、固體激光器的安裝調(diào)試1、安裝激光器。2、調(diào)整激光器，使輸出脈沖達最強二、激光參數(shù)測量1、測量自由振蕩情況下激光器的閾值電壓。2、測量脈沖能量和轉(zhuǎn)換效率。3、測量光束發(fā)散角。三、電光調(diào)Q實驗研究1、調(diào)整Q開關(guān)方位，尋找V14。2、確定延遲時間。3、測試動靜比。四、倍頻實驗1、測量倍頻光能量與入射角的關(guān)系。2、倍頻效率的測量。五、激光放大實驗1、放大器放大倍率測量。2、放大器增益測量3、最佳時間匹配測量。習(xí)題第一章習(xí)題1、請解釋(1)、激光LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation輻射的受激發(fā)射光放大(2)、諧振腔在工作物質(zhì)兩端各放上一塊反射鏡，兩反射鏡面要調(diào)到嚴(yán)格平行，并且與晶體棒軸垂直。這兩塊反射鏡就構(gòu)成諧振腔。諧振腔的一塊反射鏡是全反射鏡,另一塊則是部分反射鏡。激光就是從部分反射鏡輸出的。諧振腔的作用一是提供光學(xué)正反饋，二是對振蕩光束起到控制作用。(3)、相干長度從同一光源分割的兩束光發(fā)生干涉所允許的最大光程差，稱為光源的相干長度，用ASmax表示，相干長度和譜線寬度有如下關(guān)系：ASmax=入2/&\光源的譜線寬度越窄，相干性越好。2、激光器有哪幾部分組成？一般激光器都具備三個基本組成部分：工作物質(zhì)、諧振腔和激勵能源。3、激光器的運轉(zhuǎn)方式有哪兩種？按運轉(zhuǎn)方式可分為：脈沖、連續(xù)，脈沖分單脈沖和重復(fù)脈沖。4、為使氦氖激光器的相干長度達到1km，它的單色性即應(yīng)為多少?0.6328^m/ -=6.328x10-io1x109^mmax第二章 習(xí)題1、請解釋(1)、受激輻射高能態(tài)E2的粒子受到能量hv=E2-E1光子的刺激輻射一個與入射光子一模一樣的光子而躍遷到低能級E1的過程稱受激輻射.(2)高斯光束由凹面鏡所構(gòu)成的穩(wěn)定諧振腔中產(chǎn)生的激光束即不是均勻平面光波，也不是均勻球面光波，而是一種結(jié)構(gòu)比較特殊的高斯光束，沿Z方向傳播的高斯光束的電矢量表達式為：

A —(X2+V2) .x2+V2E(X,y,z)——0-exp[————-]?exp[—ik( +z)+1叭z)]3(z) 32(z) 2R(z)高斯光束是從z<0處沿z方向傳播的會聚球面波，當(dāng)它到達z=0處變成一個平面波,繼續(xù)傳播又變成一個發(fā)散的球面波.球面波曲率半徑R(z)>z聞隨z而變.光束各處截面上的光強分布均為高斯分布.(3)、增益飽和受激輻射的強弱與反轉(zhuǎn)粒子數(shù)AN有關(guān)，即增益系數(shù)GxAN，光強IxAN。AN大，G大，由于受激輻射增強，AN減少，因而G也隨之減小，但還是有增益的，受激輻射仍然增強，這種增益系數(shù)隨光強增加而減小的現(xiàn)象稱增益飽和。(4)、橫模諧振腔中橫向不同的穩(wěn)態(tài)光場分布稱為不同的橫模，用TEMmn標(biāo)記，m,n為橫模序數(shù),m,n=0時為基橫模，其它模為高階橫模。(5)、均勻增寬每個粒子對加寬譜線范圍內(nèi)的任一頻率都有貢獻，因而這種光譜線的加寬稱為均勻加寬。如光譜線的自然加寬和碰撞增寬。(6)、閾值條件閾值條件就是光在增益介質(zhì)中來回一次的增益大于或等于損耗，即:rre2(g-a內(nèi)l>1或 G(v)>a內(nèi)-(1/2L)Ln(r1r2)2、試計算連續(xù)功率均為1w的兩光源，分別發(fā)射九=0.5000眄，v=3000GHz的光,每秒從上能級躍遷到下能級的粒子數(shù)各為多少？解：(1)I

n———

hv0.50006.626義(1)I

n———

hv0.50006.626義10-34義3X1014氏2.52x1018Q)I

n-——

hv6.626X10-34x3x1012氏5.03X10203、一光源發(fā)射入=0.6000眄波長時，如果(IH)=V20000,求此時單色輻射能量密度%等于多少？ 激自1ChV/kT—1/、1ChV/kT—1P“)= C3ehV/kT—1自/、8MV3I .p(y)= p3.86x10-18j?s/m^C3I自4、設(shè)咸原子靜止時發(fā)光中心頻率為v°=4.74x1014HZ,室溫下就原子的平均速率設(shè)為560m/s。求此時接收器接收頻率與中心頻率相差若干？由 V=v(1±—)0c3 u得Av=±-v?8.85x108Hzc05、穩(wěn)定諧振腔的兩塊反射鏡，其曲率半徑分別為R=40cm,R2=100cm,求腔長L的取值范圍。解：用作圖法可解得 0vLW40(cm汲100WLW140(cm)6、腔長為0.5m的氨離子激光器,發(fā)射中心頻率v0=5.85x10^HZ熒光線寬Av=6x108HZ,問它可能存在幾個縱模？相應(yīng)的q值為多少？(設(shè)n=l)解：縱模間隔為Av=—=3x108Hzq2nL縱模數(shù)為：A^=-+1=3Avq相應(yīng)的q相應(yīng)的q值為:q=\?々^=1.95x106

0c第三章習(xí)題1、寫出氣體放電時，粒子間兩類非彈性碰撞的反應(yīng)式，并解釋之。第一類碰撞是指高能電子與基態(tài)原子碰撞，通過碰撞電子與原子部分交換能量,使原子激發(fā)。該過程可用下列反應(yīng)表達：e1+A(E1)fA*(E2)+e2與第一類碰撞相反，第二類碰撞是指處于激發(fā)態(tài)的受激粒子與另一未被受激的粒子(包括器壁)碰撞而交換能量的過程。該過程用下列反應(yīng)式表示：A*+B^B*+A+AE該過程也稱其為能量共振轉(zhuǎn)移。只有△E很小，與熱運動能量相近時，上述過程才發(fā)生。2、抑制氦氖激光器3.39pm譜線的方法有哪幾種？請簡單介紹各種方法的原理。解：抑制氦氖激光器3.39pm譜線的方法有色散法，吸收法和加不均勻磁場法。色散法是在腔內(nèi)插入一塊棱鏡使不同波長的光色散，而只使0.6328Pm的光在腔內(nèi)往返，將3.39pm的光逸出腔外。吸收法是在腔內(nèi)加入對3.39pm有吸收作用而對6328A透照的元件。例如在1米長的外腔式激光器的窗片和反射鏡之間放一個5cm長的吸收盒，內(nèi)充一個大氣壓的甲烷氣體。加不均勻磁場的目的是為了增大3.39pm的線寬，而減小它的增益。方法是沿著放電管放一排小陶瓷體磁鐵，每相鄰磁鐵的極性相同。這樣排列在放電管的軸線上便可產(chǎn)生一不均勻的磁場，在軸向磁場的作用下譜線分裂，由于磁場的不均勻造成了譜線的增寬，由于譜線的增寬使增益下降，3.39pm由于△V窄，故受磁場影響大，因而得到抑制。3、氦氖激光器結(jié)構(gòu)形式有哪幾種?內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。4、固體激光脈沖輸出特點是什么？請解釋尖峰脈沖形成的原因。自有振蕩激光器的發(fā)射特點是：1、發(fā)射時間長，峰值功率低2、能量轉(zhuǎn)換效率低尖峰脈沖形成的原因是脈沖氙燈開始閃光后約0.5ms開始發(fā)出激光,一經(jīng)發(fā)光就迅速消耗掉上能級的粒子數(shù)，使AN降到閾值之下。這樣激光發(fā)射大約維持1pm被迫停止。由于閃光燈繼續(xù)抽運，上能級粒子數(shù)迅速積累，△N大于閾值后，又再次發(fā)射一個激光脈沖，如此繼續(xù)。所以在氙燈1ms的閃光時間內(nèi)，輸出一系列小的激光尖峰脈沖，每個尖峰脈沖的持續(xù)時間約1ps。5、請寫出二氧化碳激光器上能級粒子數(shù)的積累過程。氣體放電時，電子獲得較高的平均動能，與基態(tài)CO2分子和基態(tài)N2分子發(fā)生第一類非彈性碰撞：e1+CO2(000)fe2+CO*2(001)e】+N2fe?+N*?⑴N*2(1)與基態(tài)CO2發(fā)生第二類非彈性碰撞。N*2(1)+CO2(000)fCO2(001)+N2(0)上述過程是激光上能級積累粒子數(shù)的過程。6、氬離子激光器的主要輸出波長各為哪兩條?0.5145眄,0.4880眄.7、半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是什么？實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：1、必須使費米能級進入導(dǎo)帶和價帶，這需要高摻雜。2、另外要在P-N結(jié)上加上足夠的正向電壓V,，使ev,=E-f-E+f>E,P-N結(jié)這個作用區(qū)很小，厚度為“m量級。當(dāng)Eg<hv<E-F-E+F的光入射時產(chǎn)生受激放大。第四章激光技術(shù)1、腔長30cm的氮氖激光器，熒光線寬1500MHz，可能出現(xiàn)三個縱模。用三反鏡法選單縱模，問短耦合腔腔長（l2+l3）應(yīng)為若干？一 c1500MHz= 2n（L2+L3）L+L=10cm2、飽和吸收法穩(wěn)頻較蘭姆凹陷法的優(yōu)點有哪些？飽和吸收法穩(wěn)頻，由于反轉(zhuǎn)蘭姆凹陷的寬度比蘭姆凹陷的寬度窄，所以其中心頻率兩側(cè)曲線的斜率就比蘭姆凹陷曲線的斜率大，這樣就可以減小搜索訊號的幅度以提高頻率的穩(wěn)定性。同時還由于吸收線中心頻率極為穩(wěn)定，所以使飽和吸收法獲得了很高的長期穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)度。3、簡述電光調(diào)Q原理。（圖略）電光調(diào)Q是利用某些晶體的電光效應(yīng)來作為Q開關(guān)的元件。由電光效應(yīng)知，當(dāng)晶體加"4電壓后，由感應(yīng)雙折射，沿x方向振動的線偏振光進入晶體后將變?yōu)檠豿'及沿y'方向振動的二個線偏振光，通過晶體后成為圓偏振光，再經(jīng)反射鏡反射，該圓偏振光再次通過晶體則位相再次增加近2,圓偏振光又成為一線偏振光。不過它的振動方向為y方向，與原入射光振動方向垂直。也就是說，加了"4電壓后，往返通過晶體的線偏振光，振動方向相對改變90。角。對于未加電壓的晶體來說，往返光的振動方向不變。利用這一點可以制成Q開關(guān)。由于激光器發(fā)出的激光無偏振性，它通過偏振片后成為沿x方向振動的線偏振光。往返通過加N4電壓的KD*P晶體，則返回光沿y方向振動將被偏振片吸收。此時腔的Q值很低，由于外界激勵能源的作用，可使介質(zhì)中能級的粒子數(shù)迅速增加，當(dāng)其能級粒子數(shù)積累到足夠數(shù)量的某個時刻突然撤去KD*P上的電壓，則由YAG輸出的激光經(jīng)偏振片后能自由往返于激光腔中，不改變振動方向。損耗小，因此腔的Q值很高，從而輸出一個巨脈沖。第五章習(xí)題1、計算腔長為1m的共焦腔基橫模的遠場發(fā)散角，設(shè)波長為63281,10Km處光斑面積多大？共焦腔束腰： ①八=i1-—六°.32mm0V2兀* 一遠場發(fā)散角： 0=--6.3x10-4弧度兀3°10Km處光斑半徑：3=3,'1+( )2-6.3m0、 兀321 °光斑面積：S=nr2-125m22、一高斯光束腰粗30=0.2mm，人=0.6328Pm今用一焦距3cm的短焦距透鏡聚焦，已知腰粗30離透鏡的距離為60cm，求聚焦后光束腰粗。入射光在透鏡處的光斑半徑：3=3：1+( )2-0.64mm°Y 兀321 °聚焦后束腰半徑：3=f^——°.°1mm°兀33、如圖，二透鏡焦距分別為f1=2.5cm，f2=20cm，o0=0.28mm，z1>>f1（入射透鏡緊靠共焦腔輸出鏡面），求該望遠鏡系統(tǒng)光束發(fā)散角的壓縮比。（圖略）解:入射透鏡處光斑半徑； 3=<23°-°.4mm發(fā)散角的壓縮比： M'=f——11.4于13°第五章激光應(yīng)用1、激光切割時加噴高壓氣流的作用是什么？一定壓力（1?3個大氣壓）的氣流（氧氣或空氣）與熱金屬發(fā)生強烈的放熱反應(yīng)，提供了部分能量，使切割速度顯著提高.有輔助切割的作用并能保護光束系統(tǒng)不被汽化的材料所污染.2、激光打孔時，單次打孔一般用在什么情況下？單脈沖打孔存在著一些問題不好解決，例如液態(tài)材料未被噴出，出現(xiàn)再凝固問題就不好解決，因此單脈沖打孔僅用在薄板零件上打盲孔，其它情況均采用多脈沖打孔.3、激光焊接與激光切割、打孔有什么不同？影響激光焊接的因素有哪些？與切割打孔不同，焊接只需將材料熔化即可.因而必須嚴(yán)格控制能量輸出，升溫控制在熔化與蒸發(fā)之間，只有這樣才能達到高質(zhì)量的焊接效果.影響激光焊接的因素有光功率密度、作用時間、材料性質(zhì)、焊接方式等。4、激光動平衡去重法有哪兩種？它們各有什么特點激光動平衡去重有兩類。1.按偏重量去重平衡，2.定量去重平衡。按偏重量去重平衡是檢測出偏重量，自動給出一幅值信號，控制激光輸出能量，以除去相應(yīng)的重量。定量去重平衡不需要電路反饋系統(tǒng)，不論偏重大或偏重小，每次輸出激光能量都是一定的，因而每次去重量也是一定的。5、激光熱處理有什么特點？激光熱處理可以分為哪幾種？激光熱處理具有以下優(yōu)點：1、由于激光功率密度高，加熱速度極快，冷卻速度也快，可以自行冷卻，因而熱影響區(qū)小，工件變形小，處理后不需修整。2、由于光束傳遞移動方便，可以對形狀復(fù)雜的零件或零件的某一部份進行處理，如盲孔底、深孔內(nèi)壁、凹槽等，也可以根據(jù)需要在同一零件的不同部位進行不同的處理。3.由于加熱速度極快，即達到了表面改性的目的，又不影響材料內(nèi)部原有的性能。即提高了表面硬度和耐磨性，又保持材料內(nèi)部韌性。4,由于處理后變形小，不破壞工件表面原有光潔度。激光熱處理中應(yīng)用較多的是表面強化，相變硬化和激光表面合金化、激光涂敷等。6、激光脈沖測距儀對光脈沖的要求有哪些？測距儀對光脈沖的要求①光脈沖應(yīng)有足夠的強度（避免反射回來的光太弱）②光脈沖方向性要好。一是為了能量集中，能測很遠，二是希望能準(zhǔn)確的判明方位。（3）光脈沖單色性要好。為避免雜散光的影響，加了濾光片，光脈沖單色性好的話，濾光效果更佳。能有效提高信噪比。④光脈沖寬度要窄。因為光速非常高，距離不太大的話，往返時間很短。若脈沖寬度較大，即發(fā)射時間較長的話，有可能使發(fā)射光與反射回來的光重疊，這樣就無法測量，因此光脈沖寬度一定要窄，可通過調(diào)Q技術(shù)解決這一問題。7、位相測距儀的工作原理是什么？位相測距是測定連續(xù)的調(diào)制激光在待測距離d上往返的位相差^來間接測量傳播時間t的。我們知道光波在傳播過程中位相是不斷變化的，每傳播波長九的一段距離，位相就變化2兀。所以距離d、光波往返位相差^和光波波長九之間的關(guān)系為：2d=入?（^/2兀）（^:往返d一次位相變化