最新激光原理及应用试卷

激光原理及应用

考试时间:第 18 周星期五 ( 2007年1 月 5日)

一单项选择（30分）

1．自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（ B ）

2．爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为（C ）

3．自然增宽谱线为（ C ）

（A）高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型（D）双曲线型

4．对称共焦腔在稳定图上的坐标为（B ）

（A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1）

5．阈值条件是形成激光的（ C ）

（A）充分条件（B）必要条件（C）充分必要条件（D）不确定

6．谐振腔的纵模间隔为（B ）

7．对称共焦腔基模的远场发散角为（C ）

8．谐振腔的品质因数Q衡量腔的（C ）

（A）质量优劣（B）稳定性（C）储存信号的能力（D）抗干扰性

9．锁模激光器通常可获得（ A ）量级短脉冲

10．YAG激光器是典型的（ C ）系统

（A）二能级（B）三能级（C）四能级（D）多能级

二填空（20分）

1.任何一个共焦腔与等价，

而任何一个满足稳定条件的球面腔地等价于一个共焦腔。(4分)

2 .光子简并度指光子处于、

、、。（4分）3．激光器的基本结构包括三部分，即、

和。（3分）

4．影响腔内电磁场能量分布的因素有、

、。（3分）

5．有一个谐振腔，腔长L=1m，在1500MHｚ的范围内所包含的纵模个数为

个。（2分）

6．目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为四大类，它们分别是、、和。（4分）

三、计算题（42分）

1．（8分）求He-Ne激光的阈值反转粒子数密度。已知＝6328Å，1/f( )

＝109Hz，＝1，设总损耗率为，相当于每一反射镜的等效反射率R＝l－L

＝98.33％，＝10—7s，腔长L＝0.1m。

2．（12分）稳定双凹球面腔腔长L＝1m,两个反射镜的曲率半径大小分别为R

1＝3m求它的等价共焦腔腔长，并画出它的位置。

＝1.5m,R

2

3．（12分）从镜面上的光斑大小来分析，当它超过镜子的线度时，这样的横模就不可能存在。试估算在L＝30cm, 2a=0.2cm 的He-Ne激光方形镜共焦腔中所可能出现的最高阶横模的阶次是多大？

4．4．（10分）某高斯光束的腰斑半径光波长。求与腰斑相距z=30cm处的光斑及等相位面曲率半径。

四、论述题（8分）

1．（8分）试画图并文字叙述模式竞争过程

激光原理及应用（A ）卷 答案及评分标准：

一、（30分）

BCCBCBCCAC 二、（20分）

1. .无穷多个稳定球面腔 (2分)

唯一 (2分) 2. 处于一个光子态的平均光子数 (1分)

处于同一模式的光子数 (1分) 相干体积内偏振一样的光子数 (1分) 处于同一相格中的偏振一样的光子数 (1分)

3．工作物质、激励能源、光学谐振腔 （3分） 4． (1分) (1分) (1分)

5．10 （2分）

6．固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器 （4分）

三（42分） 1（8分）

解 ； 分）分）

分）分）

＝总

阈(1 /10048.1(2 10)106328.0(1.00167

.0108(2 )

(18(3 )(83

1592

672

2222m f L R f c a n ⨯=⨯⨯⨯

⨯=-=∆--πνλτ

πμντμπν

2（12分）

解：假设所要求的等价共焦腔的共焦参数为f ，以等价共焦腔中点为z 坐标的原点，M 1，M 2两镜的z 坐标为z 1和z 2，有

()()()分）（分）

（1 1 )

()()

(21122121R L R L L R L z R L R L L R L z -+---=-+--= ()()()()[]分）(2 )(2

2121212R L R L L R R L R L R L f -+--+--=

衍射损耗收腔镜反射不完全介质吸激活介质的光放大作用

代入数值L ＝1m, R 1＝1.5m,R 2＝3m 得：

⎪⎪⎪

⎩

⎪

⎪⎪⎨⎧==

-=514515421

f z z （3分） 等价共焦腔腔长

514

22=

='f L （1分）

位置如上图所示。 （4分）

3．（12分）

解：高阶模沿x,y 方向的光斑半径分别为

s ns s

ms w n w w m w 001212+=+= （2分）

基模光斑半径：

cm L w s 2401046.214.3106328.030--⨯=⨯⨯==

πλ

（3分）

横模存在时，要求满足

a w m w s ms <+=012 （2分） 即：

7

.7212

0=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛

a

m （2分）

即7≤m ， 同理有：7≤n

故可能出现的最高阶横模的阶次是7。 （3分） 4（10分）解：光斑半径:

分）分）(2 45.1

14.114.3300106.10114.1(3

1)(2

232

200mm w z w z w =⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛⨯⨯⨯+⨯=⎪⎪⎭⎫

⎝⎛+=-πλ

等相位面曲率半径:

分）（分）2 4.79]

300106.1014.114.31[30(3

]1[)(2

322

2

0cm z w z z R =⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛⨯⨯⨯+=⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛+=-λπ

四、论述题（8分） 1．（8分）

答：图中q-1，q-2，q ，q+1，q+2 5个纵模满足阈值条件，随着外界激发的增强，则纵模的光强增长，但是，光强增加时，引起增益饱和作用，增益——频率下降，曲线变扁，使曲线1变为曲线2，q-2， q+2满足阈值。（1分）

光强继续增加时，曲线2变为曲线3，使q-2， q+2的增益小于阈值，不再振荡，而q-1， q+1满足阈值。（1分）

光强继续增加时，曲线3变为曲线4，使q-1， q+1的增益小于阈值，不再振荡，则只剩下q 模满足阈值条件获得 输出。这种通过增益饱和效应， 靠近谱线中心频率的纵模逐渐把 其他纵模抑制掉的过程就是模式 竞争。（3分）

（3分）