激光的技術(shù)習(xí)題

1、激光原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)脈沖氙燈YAG 多功能激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路圖實(shí)驗(yàn)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(dá)最強(qiáng)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(shí)驗(yàn)研究1、調(diào)整 Q 開關(guān)方位，尋找 V /4 。2、確定延遲時(shí)間。3、測試動(dòng)靜比。四、倍頻實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)1、放大器放大倍率測量。2、放大器增益測量3、最佳時(shí)間匹配測量。習(xí)題第一章1、請解釋（1）、激光Light Amplification by Stimulated Emissi

2、on of Radiation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 Smax 表示，相干長度和譜線寬度有如下關(guān)系：2Smax = /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(gè)基本組成部分：工作物質(zhì)、諧振腔和激勵(lì)能源。3、激光器

3、的運(yùn)轉(zhuǎn)方式有哪兩種？按運(yùn)轉(zhuǎn)方式可分為： 脈沖、連續(xù) ，脈沖分單脈沖和重復(fù)脈沖。0.6328 m1 10 9 m4、為使氦氖激光器的相干長度達(dá)到 1km，它的單色性 / 應(yīng)為多少？ 6.328 10 10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 h = E2 - E1 光子的刺激輻射一個(gè)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(dá)式為：E(x,y,z) A(0z) exp (x2

4、(z)y ) exp ik( x2R(zy) z) i (z)(z) (z)2R( z)高斯光束是從 z<0 處沿 z 方向傳播的會(huì)聚球面波 ,當(dāng)它到達(dá) z=0 處變成一個(gè)平面 波,繼續(xù)傳播又變成一個(gè)發(fā)散的球面波 .球面波曲率半徑 R（z）>z,且隨 z 而變 .光束 各處截面上的光強(qiáng)分布均為高斯分布 .（3）、增益飽和 受激輻射的強(qiáng)弱與反轉(zhuǎn)粒子數(shù) N 有關(guān)，即增益系數(shù) G N ，光強(qiáng) I NN 大， G 大，由于受激輻射增強(qiáng)， N 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(qiáng)，這種增益系數(shù)隨光強(qiáng)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

5、場分布稱為不同的橫模， 用 TEM m n 標(biāo)記， m, n 為 橫模序數(shù) . m, n=0 時(shí)為基橫模，其它模為高階橫模 。（5）、均勻增寬 每個(gè)粒子對加寬譜線范圍內(nèi)的任一頻率都有貢獻(xiàn)，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 :r1r2e內(nèi)或 G( ) 內(nèi) - ( 1 / 2L) L n ( r1 r2 ) 2、試計(jì)算連續(xù)功率均為 1w的兩光源，分別發(fā)射 =0.5000 m, =3000G Hz 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）0.500034 146.62

6、6 10 34 3 1014182.52 101816.626 10 34 3 10125.03 1020(2)3、一光源發(fā)射 =0.6000 m波長時(shí)，如果( I 激/I 自)= 1/20000，求此時(shí)單色輻射 能量密度 等于多少？()38heh / kTI 激 1I自eh /kT 1()I激I自3.86 10 18 j s/ m34、設(shè)氖原子靜止時(shí)發(fā)光中心頻率為0= 4.74 1014 HZ ，室溫下氖原子的平均速率設(shè)為 560m/s。求此時(shí)接收器接收頻率與中心頻率相差若干？由0 (1 )c得 0 8.85 108 Hz c5、穩(wěn)定諧振腔的兩塊反射鏡，其曲率半徑分別為R1=40cm， R2

7、=100cm，求腔長L 的取值范圍。解：用作圖法可解得0<L 40(cm)及 100 L 140(cm)146、腔長為 0.5m的氬離子激光器，發(fā)射中心頻率 0= 5.85 1014 HZ 熒光線寬 =6108 HZ ，問它可能存在幾個(gè)縱模？相應(yīng)的 q 值為多少？(設(shè) n=1) 解：縱模間隔為c8 q 3 108 Hz q 2nL縱模數(shù)為：N 1 3q相應(yīng)的 q 值為： q 0 2nL 1.95 106第三章習(xí)題1、寫出氣體放電時(shí)，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(dá)：e1+A(

8、E 1) A*(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+ E該過程也稱其為能量共振轉(zhuǎn)移。 只有 E 很小，與熱運(yùn)動(dòng)能量相近時(shí)， 上述過程 才發(fā)生。2、抑制氦氖激光器 3.39 m 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 3.39 m 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0.6328 m 的光在腔內(nèi)往返，將 3.39 m 的光逸出腔外。吸收法是在腔內(nèi)加入對 3.39m有吸收作用而對 63

9、28? 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(gè) 5cm 長的吸收盒，內(nèi)充一 個(gè)大氣壓的甲烷氣體。加不均勻磁場的目的是為了增大 3.39 m 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， 3.39m 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(diǎn)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(diǎn)是：1、

10、發(fā)射時(shí)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N 降到閾值之下。這樣激光發(fā)射大約維持 1m 被迫停止。由于閃光燈繼續(xù)抽運(yùn)，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(gè)激光脈沖，如此繼續(xù)。所以在氙燈 1ms 的閃光時(shí)間內(nèi)，輸 出一系列小的激光尖峰脈沖，每個(gè)尖峰脈沖的持續(xù)時(shí)間約1s。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(shí)，電子獲得較高的平均動(dòng)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）e2 CO* 2（001）e1 N2e2

11、N*2（1）N* 2（ 1）與基態(tài) CO2 發(fā)生第二類非彈性碰撞。N* 2（1）+CO2（000） CO2 （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 m , 0.4880 m .7、半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是什么？實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：1、必須使費(fèi)米能級進(jìn)入導(dǎo)帶和價(jià)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'EFE+F>Eg, P-N 結(jié)這 個(gè)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(shí)產(chǎn)生受激放大。第四章 激光技術(shù)1

12、、腔長 30cm的氦氖激光器，熒光線寬 1500MHz ，可能出現(xiàn)三個(gè)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？c1500MHz2n（L2 L3 ）L2 L3 10cm2、飽和吸收法穩(wěn)頻較蘭姆凹陷法的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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

13、加 /4 電壓后， 由感應(yīng)雙折射，沿 x 方向振動(dòng)的線偏振光進(jìn)入晶 體后將變?yōu)檠?x'及沿 y'方向振動(dòng)的二個(gè)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/2，圓偏振光又成為一線偏振光。不過它的振動(dòng)方向?yàn)?y 方向，與原入射光振動(dòng)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(dòng)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(dòng)方向不變。利用這一點(diǎn)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(dòng)的線偏振光。往返通過加 /4 電壓的 KD*P 晶體，則 返回光沿 y

14、 方向振動(dòng)將被偏振片吸收。 此時(shí)腔的 Q 值很低， 由于外界激勵(lì)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(gè)時(shí)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(dòng)方向。損耗小，因此腔的 Q 值很高，從而輸出一 個(gè)巨脈沖。第五章 習(xí)題1、計(jì)算腔長為 1m 的共焦腔基橫模的遠(yuǎn)場發(fā)散角，設(shè)波長為 6328?， 10Km 處 光斑面積多大？共焦腔束腰：0 L 0.32mm2遠(yuǎn)場發(fā)散角：6.3 10 -4 弧度010Km 處光斑半徑：z20 1 (2) 6.3m0光斑面積：2 2S=r125m2、一高斯光束腰粗 0

15、=0.2mm，=0.6328m 今用一焦距 3cm 的短焦距透鏡 聚焦，已知腰粗 0 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 :z220)0.64 mm聚焦后束腰半徑：00. 01mm3、如圖，二透鏡焦距分別為 f1=2.5cm， f2=20cm， 0=0.28mm，z1>>f1（入射 透鏡緊靠共焦腔輸出鏡面） ，求該望遠(yuǎn)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 ;2 0 0.4mm發(fā)散角的壓縮比：2 11.410第五章 激光應(yīng)用1、激光切割時(shí)加噴高壓氣流的作用是什么？一定壓力 （13 個(gè)大氣壓 ）的氣流 （氧氣或空氣）與熱金屬發(fā)生強(qiáng)烈的

16、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(hù)光束系統(tǒng) 不被汽化的材料所污染 .2、激光打孔時(shí)，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(dá)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(shí)間、材料性質(zhì)、焊接方式等。4、激光動(dòng)平衡

17、去重法有哪兩種？它們各有什么特點(diǎn)激光動(dòng)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(dòng)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(diǎn)？激光熱處理可以分為哪幾種？ 激光熱處理具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)方便，可以對形狀復(fù)雜的零件或零件的某一部份進(jìn)行處 理，如盲孔底、深孔內(nèi)壁、凹槽等，也可以根

18、據(jù)需要在同一零件的不同部位進(jìn) 行不同的處理。3. 由于加熱速度極快，即達(dá)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(qiáng)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 光脈沖應(yīng)有足夠的強(qiáng)度 （ 避免反射回來的光太弱 ） 光脈沖方向性要好。一是為了能量集中，能測很遠(yuǎn)，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。 光脈沖

19、寬度要窄。因?yàn)楣馑俜浅８?，距離不太大的話，往返時(shí)間很短。若 脈沖寬度較大，即發(fā)射時(shí)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(shí)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 的一段距離， 位相就變化 2 。所以距離 d 、光波往返位相差 和光波波長 之間的關(guān)系為：2d = ? ( / 2 ) ( ：往返 d 一次位相變化 )或 d = ( / 2 ) ? ( / 2 ) (1)這里， / 2 相當(dāng)于測尺長