激光原理及应用试卷

广东工业大学考试试卷 ( A )
课程名称:
激光原理与技术
试卷满分 100 分
考试时间: 2007年 6月 18 日 (第16 周 星期 一 )
一、选择题（每题3分，共30分）
1.世界上第一台激光器是 （ ）
(A) 氦氖激光器．
(B) 二氧化碳激光器．
(C) 钕玻璃激光器．
(D) 红宝石激光器．
(E) 砷化镓结型激光器．
（4分）
所以光阑孔径为0.35mm
（4分）
四．（6分） 1（6分）
答：初始时腔的 Q 值很低，使腔内的损耗变大，上能级不断积累大量粒子。 当在一定的外界激发功率下，上能级上的粒子数积累到最大值， （3分 ） 突然使谐振腔的 Q 值变高，这时激光器的阈值突然降低，聚集在上能级上的粒 子立即以极高的速度以雪崩的方式跃迁到低能级上，在瞬间形成极高的光脉冲峰 值功率。（3 分
z1
=
(L
L(R2 − L) − R1) + (L −
R2
)
z2
=
(L
− L(R1 − L) − R1)+ (L − R2
)
f 2 = L(R1 − L)(R2 − L)(R1 + R2 − L) [(L − R1 )+ (L − R2 )]2
（1分） （1分）
(2分）
代入数值 L＝1m, R1＝1.5m,R2＝3m 得：
模振荡，光阑孔径应多大？(2)如同时使
，
模振荡而抑制
振荡，光阑孔径应多大？
四．论述题（6分） 1．（6 分）试述调 Q 激光器原理
激光原理及应用（B）卷答案及评分标准：
一．（30分）
BDCACAABCB 二. （20分） 1. 方向性好、单色性好、相干性好、高亮度 2． 相位 、频率 、偏振态、 传播方向。
4．4．（10分）某高斯光束的腰斑半径
光波长
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
。求与
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 唯一 2. 处于一个光子态的平均光子数 处于同一模式的光子数 相干体积内偏振一样的光子数 处于同一相格中的偏振一样的光子数 3．工作物质、激励能源、光学谐振腔 4． 激活介质的光放大作用
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
2
⎞ ⎟⎟ ⎠
]
=
30[1
+
⎛ ⎜⎜ ⎝
3.14 ×1.142 10.6×10−3 × 300
2
⎞ ⎟⎟ ⎠
]
= 79.4cm
（3 分） (3分） (2分） (3分） （2分）
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）
1． 激光束的基本特性是____________________、_________________________
_____________________________、___________________________。（4 分）
2．光和物质相互作用产生受激辐射时，辐射光和照射光具有完全相同的特性， 这
q＋1=1950001，
， q－1＝1949999
（4分）
3（ 20 分） 解：(1)它产生的基模高斯光束的腰斑半径及腰斑位置。
代入各数值得：f = 1cm 又 R＝2m＝2L 可见此平凹腔为半共焦腔
（3分） （1分）
（2分）
腰斑半径为： 设平面镜距腰斑位置为 ,凹面镜距腰斑位置为 ，则
（3分）
（4分）
3．碰撞增宽谱线为（ C ） （A） 高斯线型 （B）抛物线型 （C） 洛仑兹线型 （D）双曲线型
4．CO2谱线的多普勒增宽为53MHz，中心频率所对应的谱线函数极大值为 （A）
5．平行平面腔在稳定图上的坐标为（ C ） （A）（-1，-1） （B） （0，0） （C）（1，1） （D）（0，1）
6．谐振腔的纵模共振频率为（ A ）
向观察者运动时，中心波长变为多大？
，求当它以0.1c 速度
2．（8分）腔长为0.5m 的氩离子激光器，发射中心频率 ＝5.85×l014Hz，荧光
线宽 ＝6×l08 Hz，问它可能存在几个纵模?相应的 q 值为多少？ (设 =1))
3．（20分）某激光器
采用平凹腔，腔长 L＝1m，凹面镜曲率半径 R
光是不相干的．
(D) 两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，原子受激辐射的光与入射光 是相干的．
3．氦-氖激光器属于典型的（ ）系统 （A）二能级 （B）三能级 （C） 四能级 （D）多能级
4．体积
，线宽
，中心波长60nm，模式数目为（ ）
5．多普勒加宽发生在 （ （A）固体 （C）气体
）介质中 （B）液体 （D）等离子体
＝2m。求： （1） 它产生的基模高斯光束的腰斑半径及腰斑位置。 （2） 它产生的基模高斯光束的焦参数。
（3） 它产生的基模高斯光束的远场发散角。
4，（8分）He-Ne 激光器辐射6328Å光波，其方形镜对称共焦腔，腔长 L＝0.2m。
腔内同时存在
，
，
横模。若在腔内接近镜面处加小孔光阑选
取横模，试问：(1)如只使
⎧
4
⎪ ⎪⎪ ⎨ ⎪
z1 z
=− 5 1
2 =5
⎪ ⎪⎩
f
=
14 5
L′ = 2 f = 2 14
等价共焦腔腔长
5
位置如上图所示。
（3 分）
（1 分） （4 分）
3．（12 分） 解：高阶模沿 x,y 方向的光斑半径分别为
wms = 2m +1w0s wns = 2n +1w0s
基模光斑半径：
w0s =
腔镜反射不完全介质吸收
衍射损耗
Baidu Nhomakorabea
(2 分) (2 分) (1 分) (1 分) (1 分) (1 分) （3 分） (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）
∆n阈＝
8πν 2µ 2τa总 c2 f (ν )
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）
8πµ 2τ 1− R
=
L
λ2 f (ν )
(2分）
8π ×10−7 × 0.0167
=
0.1 ×109
(0.6328×10−6 )2
(2分）
解；
= 1.048×1015 / m3
(1分）
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，M1，M2 两镜的 z 坐标为 z1 和 z2，有
（3 分）
广东工业大学考试试卷 ( B )
课程名称:
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．在一定温度下，自发辐射几率是受激辐射几率的（ B ）倍
2．粒子数反转分布状态微观粒子满足（D ） （A） 费米分布（B）高斯分布（C） 玻尔兹曼分布（D）负温度分布
2.按照原子的量子理论，原子可以通过自发辐射和受激辐射的方式发光，它们
所产生的光的特点是：（ ）
(A) 两个原子自发辐射的同频率的光是相干的，原子受激辐射的光与入射光
是不相干的．
(B) 两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射
光是相干的．
(C) 两个原子自发辐射的同频率的光是不相干的，原子受激辐射的光与入射
些特性是指
、
、
和
。（4分）
3．激光腔振荡模的特征是
、
、
、
。（4分）
4．He-Ne 激光器是典型的四能级系统，有三条主要激光谱线，其激光谱线及波 长
分别为
、
、
。（6分）
5．若光束通过1m 长的激光介质以后，光强增大了一倍，此介质的增益系数 G 为
（2 分）
三、计算题（44 分）
1．（8分）静止氖原子
谱线中心波长为
＝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 R1
＝1.5m,R2＝3m 求它的等价共焦腔腔长，并画出它的位置。
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？
、 。（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(ν)
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
(4分) （4分）
3.
4． 3S→2P
0.6328µ
2S→2P
1.15µ
3S→3P
3.39µ
5．
G＝ln2 m-1
三（44分） 1（8分）
（2分） （2分） （2分） （2分）
解：由多谱勒效应：
， （两者相互接近时，即相向时，
）
（4分 ） （4分 ）
2．（8分） 解：
，
（2 分
，
（2分）
则可能存在的纵模数有三个，它们对应的 q 值分别为：
Lλ = π
30 × 0.6328 ×10−4 = 2.46 ×10−2 cm 3.14
横模存在时，要求满足
wms = 2m + 1w0s < a
即：
m
<
⎡⎛ ⎢⎢⎣⎜⎜⎝
a w0s
2
⎞ ⎟⎟ ⎠
⎤ − 1⎥
⎥⎦
2 = 7.7
（2 分） （3 分） （2 分） （2 分）
即 m ≤ 7 ， 同理有： n ≤ 7
故可能出现的最高阶横模的阶次是 7。 4（10 分）解：光斑半径:
2
w(z) = w0
1+
⎛ ⎜⎜ ⎝
λz πw02
⎞ ⎟⎟ ⎠
= 1.14×
1
+
⎛ ⎜⎜⎝
10.6×10−3 × 300 3.14 ×1.142
⎞ ⎟⎟⎠
2
= 1.45mm
等相位面曲率半径:
R(z)
=
z[1 +
⎛ ⎜⎜⎝
πw02 λz
6．半共心腔在稳定图上的坐标为（ ） （A）（-1，-1） （B） （0，0） （C）（1，1） （D）（0，1）
可见腰斑位置 z=0刚好在平面镜处。
（1分）
（2） 它产生的基模高斯光束的焦参数。
其产生的基模高斯光束的焦参数即为产生高斯光束的共焦腔焦参数，
即 f = 1cm
（1分）
（3）它产生的基模高斯光束的远场发散角：
4（8分） 解：(1)TEM00模在镜面处的光斑半径为
所以光阑孔径应该为0.2mm (2)TEM11模在镜面处的光斑半径为
7．对称共焦腔基模光腰为（ A ）
8．对同一种介质，小信号增益系数随（ B ）变化 （A）谱线宽度 （B）激发功率 （C）粒子数密度（D）自发辐射几率 9．调 Q 激光器通常可获得（ C ）量级短脉冲
10．红宝石激光器是典型的（ B ）系统 （A）二能级 （B）三能级 （C） 四能级 （D）多能级 二. 填空（20分）
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