激光原理及應(yīng)用試卷

1、激光原理及應(yīng)用試卷班級姓名成績一、填空題（1.520=30分）1 .光與物質(zhì)的相互作用有三種不同基本過程，即,及A21稱為：B21稱為：Bi2稱為：自發(fā)輻射的平均壽命P與A21關(guān)系為2 .引起譜線增寬的原因主要有三種，即。它們的線型函數(shù)有兩種，分別是。3 .光的一個基本性質(zhì)是具有。一方面光是電磁波，具有波動性質(zhì)，有一定的和。另一方面光是光子流，是具有一定和的物質(zhì)粒子流。4 .產(chǎn)生激光必須具備的三個條件：,問答題（56=30分）1 .簡要敘述激光器穩(wěn)定出光的過程。2 .三種譜線增寬形式中哪些是均勻增寬？哪些是非均勻增寬，為什么?3 .詳細(xì)說明對稱共焦腔中高斯光束的特點，并圖示4 .敘述用蘭姆凹陷

2、穩(wěn)頻的工作原理。分析題(40分)1. (10)如圖所示為的&和E0(基態(tài))分別為激光上下能級，n0和R分別為上下能級的粒子數(shù)密度，諧振腔中傳播的單色光能密度為P(假設(shè)其線寬比介質(zhì)的線型函數(shù)f(v)的線寬窄得多)。圖中過程為泵浦速率為R0的抽運過程，為自發(fā)輻射過程，和分別為受激輻射和受激吸收過程，自發(fā)輻射系數(shù)、受激輻射系數(shù)和受激吸收系數(shù)分別為AmB。、B01O試寫出E1能級在單位時間內(nèi)粒子數(shù)密度的增加量，并說明表達(dá)式中每一項的物理意義Ei2. (15分)一染料激光器輸出激光的波長為0.63pm,采用平凹腔，凹面鏡的曲率半徑為2m,腔長為1m,(1)求出它所產(chǎn)生的高斯光束的光腰大小和位置，共焦參數(shù)

3、f以及發(fā)散角&(2)如果使用焦距為5cm的凸透鏡聚焦，入射光腰到透鏡的距離為1.50m。問：離透鏡1.0m處的出射光斑半徑為多少？3. (15)設(shè)有三束頻率分別為v0、v0+Av和v0Av、光強為I0、Ii和I2的強光沿相同方向或相反方向(如圖)通過中心頻率為V。的非均勻加寬增益介質(zhì)(I0I112)。試分別分析下列兩種情況下反轉(zhuǎn)粒子數(shù)按速度Uz的分布，并畫出相應(yīng)的分布曲線，要求在圖中標(biāo)出燒孔位置及燒孔深度。深度只要求標(biāo)出相對大小。*zz激光原理及應(yīng)用試卷（答案）四、填空題（1.520=30分）1 .自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收；自發(fā)輻射系數(shù)、受激輻射系數(shù)、受激吸收系數(shù);T=1/A212 .自然

4、增寬、碰撞增寬、多普勒增寬；洛侖茲線型、高斯線型3 .波粒二象性；波長、頻率；能量、動量4 .有提供放大作用的增益介質(zhì)、有外界激勵源造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布、有光學(xué)諧振腔五、問答題（56=30分）1 .簡要敘述激光器穩(wěn)定出光的過程。答：激光增益介質(zhì)在激勵源的激勵下造成一定數(shù)目的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，高能級上的粒子不穩(wěn)定會產(chǎn)生自發(fā)輻射光，增益介質(zhì)對這些最初始的自發(fā)輻射光有一定的增益系數(shù)，此時的增益要大于諧振腔的總損耗，光在諧振腔中往返傳播一周增加的量大于損耗的量，因此光在諧振腔中逐步得到放大；當(dāng)光繼續(xù)被放大到一定強度可與激光器的飽和光強可比擬時，光強將使介質(zhì)的增益系數(shù)產(chǎn)生飽和效應(yīng)，當(dāng)增益系數(shù)逐步下降到等于諧

5、振腔的總損耗系數(shù)時，光在腔中往返一次被增加的量等于損耗的量，此時激光器即發(fā)出穩(wěn)定的光強.2 .三種譜線增寬形式中哪些是均勻增寬？哪些是非均勻增寬，為什么？答：（1）自然增寬和碰撞增寬均屬于均勻增寬，因為在這類增寬中，每一發(fā)光原子所發(fā)的光對譜線線寬內(nèi)任一頻率都有貢獻(xiàn)，并且貢獻(xiàn)是一樣的。（2）多普勒增寬屬于非均勻增寬，因為每一種速度的發(fā)光原子它所發(fā)出的光只對該譜線內(nèi)該速度所對應(yīng)的表觀頻率有貢獻(xiàn)，即不同速度的原子的作用是不同的。3 .詳細(xì)說明對稱共焦腔中高斯光束的特點，并圖示高斯光束可看成光軸上一系列的“發(fā)光點”上發(fā)出的球面波，其波陣面對發(fā)光的共焦腔中心具有對稱分布。在腔內(nèi)的波陣面所對應(yīng)的“發(fā)光點”

6、都在腔外，且隨著波陣面由鏡面向腔中心接近，波陣面的曲率半徑逐漸增大，“發(fā)光點”由鏡面中心移向無窮遠(yuǎn)處。腔中心處的波陣面是個平面。在腔外的波陣面所對應(yīng)的“發(fā)光點”都在腔內(nèi)，且隨著波陣面由鏡面遠(yuǎn)離腔體，波陣面的曲率半徑逐漸增大?！鞍l(fā)光點”由鏡面中心向腔中心處靠近。無窮遠(yuǎn)處的波陣面對應(yīng)的“發(fā)光點”是腔中心，因為波陣面的曲率半徑增大成無窮大，波陣面也變成平面。鏡面本身也是波陣面，它對應(yīng)的曲率半徑最小，每個鏡面對應(yīng)的“發(fā)光點”恰好落在另一個鏡面的中心。4 .敘述用蘭姆凹陷穩(wěn)頻的工作原理。答：非均勻增寬型介質(zhì)激光器譜線的輸出功率隨頻率的變化是鐘型的，即在譜線的中心頻率處形成一個蘭姆凹陷，蘭姆凹陷的寬度較譜

7、線的寬度窄，而凹陷的中心頻率就是譜線的中心頻率。當(dāng)輸出頻率在中心頻率附近有微小的變化就會引起輸出功率的顯著變化。因此通過對輸出光強的檢測，輸出一個與光強變化相對應(yīng)的信號去控制腔長，從而把頻率穩(wěn)定在中心頻率處。六、分析題（40分）1. (10)如圖所示為的Ei和Eo(基態(tài))分別為激光上下能級，no和R分別為上下能級的粒子數(shù)密度，諧振腔中傳播的單色光能密度為P(假設(shè)其線寬比介質(zhì)的線型函數(shù)f(v)的線寬窄得多)。圖中過程為泵浦速率為Ro的抽運過程，為自發(fā)輻射過程，和分別為受激輻射和受激吸收過程,自發(fā)輻射系數(shù)、受激輻射系數(shù)和受激吸收系數(shù)分別為A。、Bo、Boi。試寫出Ei能級在單位時間內(nèi)粒子數(shù)密度的增

8、加量，并說明表達(dá)式中每一項的物理意義.Eo能級的粒子數(shù)密度，即Ei能級上的粒子數(shù)密答：dni_.=Ro-niAio(niBionoBoi)Pf(v)dt其中：nAo為單位時間通過自發(fā)輻射從Ei能級躍遷到Eo能級的粒子數(shù)密度，即Ei能級上的粒子數(shù)密度由于自發(fā)輻射減少的量niBioPf(9為單位時間通過受激輻射從Ei能級躍遷到Ei能級的粒子數(shù)密度，即Ei能級上的粒子數(shù)密度由于受激輻射減少的量noBoi砰(9為單位時間通過受激吸收從Eo能級躍遷到度由于受激吸收增加的量2. (i5分)一染料激光器輸出激光的波長為o.63m,采用平凹腔，凹面鏡的曲率半徑為2m,腔長為im,(i)求出它所產(chǎn)生的高斯光束的光腰大小和位置，共焦參數(shù)f.(2)如果使用焦距為5cm的凸透鏡聚焦，入射光腰到透鏡的距離為i.5om。問：離透鏡i.om處的出射光斑半徑為多少？答：(1)此平凹腔的等價共焦腔為腔長為2m,由兩塊曲率半徑為2m的凹面鏡組成，平面鏡的位置即為等價共焦腔的中心，也是光腰處.光腰的大小:共焦參數(shù)：f=i(2)3. (15)設(shè)有二束頻率分別為v0、0十小和04、光強為I0、I1和I2的強光沿相同方向