信息光电子试题.

一、 名词解释
1、光子态：光子的运动状态简称光子态
2、光子简并度：处于同一光子态的平均原子数目称为光场的光子简并度。

3、多普勒加宽：多普勒加宽是一种重要的非均匀加宽，其加宽机制是由于光学多普勒效应，即多普勒频移影响频率分布，最终产生光谱线的多普勒加宽
4、模式竞争：在激光器中各模间呈现竞争反转原子使优势模光强更大，其他模式光强减小甚至增益小于损耗而停止振荡。

5、频率牵引：由放大器原子相移所引起的激光器振荡模频率比无源腔模频率更向中心频率靠拢的现象，称为激光器频率牵引效应。

6、自发辐射：处于高能级的原子在没有任何外场的情况下可自发的跃迁到低能级，发出一个能量为νh 的光子，这种光发射叫做自发辐射。

7、受激辐射：处于高能级的原子在特定能量外来电子的激励下从高能级跃迁到低能级，同时释放一个与外来光子处于同一光子态的光子。

8、受激吸收：处于低能级的原子在外来光子的激励下，吸收一个光子并跃迁到高能级上的过程叫做受激吸收。

9、声光效应：光波经过具有超声场作用的介质时被衍射的现象就是声光效应。

10、电光效应：在外加电场的作用下，本来是各向同性的介质也可以产生双折射现象，而本来有双折射性质的晶体，其双折射性质也要发生改变，这是电光效应。

二、简答
1、何为粒子数的反转分布？通常为什么要实现粒子数反转分布？ 答：物质处于非平衡状态时，高低能级之间要满足01
212>-g g n n 的状态称之为粒子数反转分布。

当光通过介质时，在共振作用下，必然同时存在受激吸收和受激辐射这两个相反的过程，前者使入射光减弱，后者使入射光加强。

要使介质对入射光产生光放大作用，必
须是受激辐射跃迁的速率大于受激吸收的跃迁速率。

这就必须使的st st dt dn dt dn )()(1221>；121212w n w n >，即ννρρ121212B n B n >；又由于211221g g B B =;所以01
212>-g g n n 。

2、简述均匀加宽激光器中的模式竞争过程？
答：在均匀加宽激光器中，如果多个纵模都满足增益条件，那么开始时都可通过受激辐射使的光子数增加，从而使光强增大；但随着光强的增加，出现增益饱和，增益曲线均匀饱和下降，于是使的偏离中心频率较远的模由于增益小于损耗停止振荡，最后只留下离中心频率最近的模形成稳定振荡。

3、叙述激光器的纵模、横模的定义及形成机理？
答：纵模：电磁场在光的传播方向上按照空间周期波长λ的场分布；
横模：电磁场在垂直光的传播方向的横截面上的场分布。

纵模的形成机制为光波往返振荡一次干涉加强形成。

横模的形成机制为光波在腔内往返多次传播后，在垂直光的传播方向上的振幅和相位形成稳定的空间分布。

4、四能级和三能级泵浦系统相比有什么优点？为什么？
答：四能级系统比三能级系统更容易实现原子集居数密度反转分布，因为四能级中： 10E E →有大的无辐射跃迁几率，可近似的认为
1E 是一个空能级，产生激光的是1E 2E 能级。

而在三能级中，产生激光的也是1E 2E 能级，但1E 是基态，比较稳定，实现上能级
与一个空能级反转毕竟要比一个相当满是我基态能级间的反转分布来的容易。

5、何谓增益饱和？均匀加宽增益饱和与非均匀加宽增益饱和的基本特性是什么？
答：当入射光的光强增大到一定程度以后，增益系数随光强的增大而减小，这种现象叫增益饱和。

均匀加宽增益饱和效应表现为：整个增益曲线均匀下降。

非均匀加宽增益饱和效应表现为：0
1=ευυ的那些原子出现增益饱和，其他原子可几乎不与入射光子相互作用并维持未饱和状态，则会出现增益曲线“烧孔”效应。

6、产生多普勒加宽的机制是什么？
答：多普勒加宽是一种重要的非均匀加宽，其加宽的机制是由于光学多普勒效应，即多普勒频移影响频率的分布，最终产生光谱线的多普勒加宽。

7、简述调Q 激光器的基本原理？
答：Q 开关关闭时，激光器处于高腔损耗低Q 值状态，因为谐振腔损耗大于增益，激光振荡不能形成，其间低能级的原子不断被泵浦到高能级，高能级上的反转粒子数目密度增加；当Q 开关打开时，腔损耗减小，振荡阈值降低，激光器处于低腔损耗高Q 值状态，激光器快速在腔内建立起激光振荡。

处于高能级的原子在短时间内通过受激辐射跃迁到低能级，原系统中的大量能量被释放，激光器输出一个巨脉冲。

8、简述锁模的基本原理？
答：锁模就是将相位锁定，不同的多个纵模之间相位锁定时，具有确定相位差的纵模之间相互叠加输出一系列时间间隔一定的脉冲。

9、试说明从小信号开始到形成连续稳定激光输出的物理过程
10、激光器的泵浦都有哪几种？
答：电激励激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、热能泵浦激光器、化学激光器
三、计算题。

1.有一Nd:YAG 激光器，振荡线宽（荧光谱线中能产生激光振荡的范围）Δνos =×1011Hz ，腔长L =0.5m ，折射率η≈1，计算如下参数：
（1） 相邻纵模频率间隔多大？
（2） 振荡线宽内可以容纳多少个纵模？
（3） 假设各纵模振幅相等，求锁模后脉冲的周期和宽度？
（4） 锁模后激光脉冲功率为自由振荡时功率的多少倍？
答：(1)hz L c 81035.01281032q
⨯=⨯⨯∧⨯==∆ην (2)4008
1031110
2.1=∧⨯∧⨯=∆∆=q os M νν (3)910
3.3810311
-⨯≈∧⨯=∆=q T ν
(4)锁模后激光脉冲功率为自由振荡功率的400倍。

2、对脉冲能量为5mJ ，脉宽为5fs 的激光脉冲，若通过短焦距透镜聚焦使其焦斑直径为（1μ），计算其瞬时功率及瞬时功率密度. 答：瞬时功率：12=10/s t E P J = 瞬时功率密度：2422 1.2710/P J s m r ρπ==⨯⋅
3、基模高斯光束场的复振幅为⎪⎭
⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=)()(2exp )(exp ),,(22200z z R r z k i z r z C z y x u ϕωωω）（，其中⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=202021)(z z z ωω、⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=201)(z z z z R 、)arctan()(0z z z =ϕ、λπω200=z ，C 0为常数。

（1） 描述?(z)、?0、R(z)、z 0各自的物理意义。

（2） 若已知高斯光束?=?m 、?0=，求与光腰相距10m 处的光斑半径和波前曲率半径？
(3) 证明基模高斯光束在光强减至21e 点的远场发散角（全角）为0/122
πωλθ=e ；并且当???????nm 、?0=1mm 时，试计算远场发散角的大小。

答：（1）?(z)表示场振幅减至中心值的1/e 的点所定义的光斑半径；?0表示基模高斯光束的束腰半径；R(z)为高斯光束等相位面的曲率半径；z 0表示当光斑半径?(z 0)=?0时距束腰的距离，也称瑞利距离。

（2）
（3）()22000021/000
212212.2lim lim lim lim e z z z z z w z w z w w w z z w λθππλ
→∞→∞→∞→∞⎛⎫+ ⎪⎝⎭===== 4. He —Ne 激光器的中心频率0ν＝×1014Hz ，荧光线宽ν∆＝?l09Hz 。

今腔长L ＝lm ，问可能输出的纵模数为若干？为获得单纵模输出，腔长最长为多少？
答：Hz L c
q 88105.11121032⨯=⨯⨯⨯==∆μν，10105.1105.189=⨯⨯=∆∆=q n νν 即可能输出的纵模数为10个，要想获得单纵模输出，则：
故腔长最长不得大于m 2.0。

5、一KDP 晶体，l=3cm 。

在波长λ=μm 时，n o =，n e =，γ63=×10-12m/v 。

（1）求该晶体在纵向应用，相位延迟为?=?/2时，外加电压的大小？
（2）若外加电压保持不变，当入射光偏振方向沿x ?1时，求出射光的相位延迟大小？。