2011年激光原理與技術(shù)期末考試B卷答案

1、電子科技大學2010 -2011學年第2學期期 末考試 B卷導分.選擇題（單選）（共20分，共10題，每題2分）1、與普通光源相比，下列哪項是激光的優(yōu)勢D 。A、相干性好B、發(fā)散角小C、譜線窄D、以上都是2、要產(chǎn)生激光下列哪個條件不是必需具備的 D。A、實現(xiàn)集居數(shù)反轉(zhuǎn)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）B、受激輻射躍遷C、具有增益介質(zhì)D、諧振腔為穩(wěn)定腔 TOC o 1-5 h z 3、下列譜線加寬方式中，不屬于均勻加寬的是B 。A、自然加寬B、多普勒加寬C、晶格振動加寬D、碰撞加寬4、從輸出光束特性考慮，一個穩(wěn)定腔等價于無窮個A 。A.穩(wěn)定月$B.臨界腔 C.共焦腔 D.非穩(wěn)腔M25、若激光器輸出為某一模式的厄米特

2、-高斯光束，且其兩個主軸方向上的值為5和3,則該模式可能為D 。A、TEM01 B、TEM11 C、 TEM31D、 TEM216、下列腔型中，肯定具有共鈍像點的是C （非穩(wěn)腔）7、可以利用下列哪種損耗進行模式選擇B精選A、腔鏡不完全反射損耗 B、衍射損耗C、材料中的非激活吸收損耗D、以上都不對8、在振幅調(diào)制鎖模激光器中,若損耗調(diào)制器緊貼腔鏡放置且腔長為L,光速為c,則損耗調(diào)制信號的角頻率為CA、C、c2Lc4L9、KDP晶體橫向電光調(diào)制的主要缺點為CA、半波電壓太高B、調(diào)制帶寬低C、存在著自然雙折射引起的相位延遲D、調(diào)制頻率較高時，功率損耗比較大10、下列性質(zhì)選項中，對于由受激輻射躍遷產(chǎn)生的

3、光子與入射光子相同的是D oA、偏振方向C、運動方向B、頻率D、以上都是.填空題（共20分，共20空，每空2分）1、激光器采用開放式諧振腔的主要原因是減少模式數(shù)。2、一質(zhì)地均勻的材料對光的吸收系數(shù)為，光通過長為l的該材料后，出射光強占入射光強的比例一e1。在均勻泵浦的情況下，一光束通過長度為l的該工作物質(zhì)。如果出射光強是入射光強的兩倍，該物質(zhì)的增益系數(shù)為帖2 一（假設(shè)光很弱，可不考慮增益或吸收的飽和效應(yīng)）。3、實現(xiàn)鎖模需滿足的相位關(guān)系是 相鄰縱模相位差為常數(shù) 。4、非穩(wěn)腔與穩(wěn)定腔相比，非穩(wěn)腔 腔更容易實現(xiàn)大的模體積和橫模鑒別能力,精選在穩(wěn)定腔中基模與高階模相比高階模 具有更大的模體積。5、在非

4、均勻加寬氣體激光器中，數(shù)量最多的粒子的表觀中心頻率為增益介質(zhì)中心頻率,其運動速度為 0。6、在中心頻率為V。的連續(xù)均勻加寬激光器中，若有兩個頻率為vi和V2的縱模在 振蕩，且M v| M V0| ,則最后形成穩(wěn)定振蕩的是頻率為 V 的光場（不 考慮空間燒孔效應(yīng)）；在相同的條件下，若增加腔長，則激光器輸出的縱模數(shù) 會 不變 。7、在用KDP晶體縱向電光調(diào)制系統(tǒng)中，波片的作用是使得通過晶體后的兩偏振分量產(chǎn)生附加相位差為-,對應(yīng)的兩偏振分量的光程差為四分之一2，波長 ，其作用可以通過在晶體上附加 V /J電壓來代替。8、當進行聲光調(diào)制時，通過改變超聲波的功率 實現(xiàn)調(diào)制:當進行聲光偏轉(zhuǎn)時，通過改變超聲

5、波的 頻率 來實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。9、被動鎖模激光器中，由不規(guī)則的脈沖演變到鎖模脈沖的物理過程大致分為 三個階段，分別是 線性放大階段、非線性吸收階段 ,非線性放大階段。10、二階非線性極化產(chǎn)生倍頻和光學參量振蕩，光學相位共鈍基于三階韭線性 極化。kn三、簡答題（共30分）1、激光是受激輻射光。但在激光工作物質(zhì)中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收是同時存在的，試討論使受激輻射過程占優(yōu)勢的條件，采取什么措施可以滿足這個條件？ （ 6分）答：（1）受激輻射相對于受激吸收占優(yōu)勢的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通過泵浦可實精選現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) .（3分）（2）受激輻射相對于自發(fā)輻射占優(yōu)勢的條件是諧振腔內(nèi)只有一個或少數(shù)幾個 模式起振

6、，（因為分配到一個模式的自發(fā)輻射幾率等于一個光子引起的受激躍 遷幾率，只要模式數(shù)足夠少，受激輻射將占優(yōu)勢），采取的措施是建立諧振腔,并采用適當?shù)倪x模措施。 （3分）2、當高斯光束通過薄透鏡時，假設(shè)透鏡焦距F 一定，0為透鏡變換后的遠場發(fā)散角，物距l(xiāng)取何彳1時o 0 ,取何值時00 ? （6分）答：根據(jù)高斯光束的性質(zhì)，0 00 0 , 0 000分兩種情況進行討論若F f,透鏡焦距足夠小，無論l取何值，均可使0(2分)在F f的情況下2 0 2 0l F F2 f2or l F , F2 f2(2分)2 0 2 0F2F F2 f2 l F F2 f2 .(2分3、均勻加寬工作物質(zhì)的增益飽和與非

7、均勻加寬工作物質(zhì)的增益飽和的基本特征是什么？ （ 6分）答：（1）對均勻加寬工作物質(zhì)，頻率為i的強光入射有效地消耗了激發(fā)態(tài)度額原子數(shù)，原子對其他頻率處的貢獻降低了， 使得其他頻率的弱光的增益系數(shù)也以同等程度下降，其結(jié)果是增益在整個譜線上均勻下降。 （3分）（2）對非均勻加寬工作物質(zhì)，頻率為 1的強光只引起表觀中心頻率在1附近的反轉(zhuǎn)集居數(shù)飽和，因而在增益曲線上形成一個燒孔。 （3分）精選4、綜合比較聲光偏轉(zhuǎn)和電光偏轉(zhuǎn)的特點（提示：從偏轉(zhuǎn)角度、驅(qū)動電壓、偏轉(zhuǎn)效率、對激光頻率的影響等方面進行分析）（6分）答：（1）聲光偏轉(zhuǎn)角度大，驅(qū)動電壓低，偏轉(zhuǎn)效率低于電光偏轉(zhuǎn)，引起激光頻率偏移。 .（3分）（2）

8、電光偏轉(zhuǎn)角度小，驅(qū)動電壓高，偏轉(zhuǎn)效率趨近于100%,不影響激光頻率。 .（3 分） 5、試比較調(diào)Q激光器和鎖模激光器產(chǎn)生短脈沖的工作原理的本質(zhì)區(qū)別（6分） 答：（1）調(diào)Q的基本原理是通過調(diào)節(jié)諧振腔的 Q值（損耗）的方法，使腔內(nèi) 的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大，再突然提高Q值，使積累在上能級的大量粒子雪崩 式的躍遷到低能級，于是在極短的時間內(nèi)將能量釋放出來，就獲得峰值功率極高的短脈沖輸出。（3分）（2）鎖模的基本原理是使各縱模在時間上同步，即把它們的相位相互聯(lián)系起 來，使之有確定的關(guān)系（ql q常數(shù)），各個縱模發(fā)生相干疊加，輸出一個峰值功率高、脈沖寬度窄的脈沖序列，脈沖寬度近似等于振蕩線寬的倒數(shù)。（3分

9、）四、計算與問答題（30分）1、如圖所示，波長為 =1.06 m的Nd:YAG激光器，全反射鏡的曲率半徑 R=0.5m,距離全反射鏡a=0.15m處放置長為b=0.18的Nd:YAG棒，其折 射率=1.8,棒的右端直接鍍上半反射膜作為腔的輸出端。（15分）1）判別腔的穩(wěn)定性；（5分）2）求Nd:YAG晶體棒輸出端的光斑半徑；（3分）3）在距輸出端c=0.2m處放置F=0.1m薄透鏡，求經(jīng)透鏡后的光腰半徑和位置。精選(7分)解答：1）等效腔長Lab/ 0.15 0.18/1.8 0.25m(1).(2 分)/ 0.25 / 0.2511 -0.50.5(2)0g 1(3)該腔為穩(wěn)定腔。(3分)2

10、)R 2L,該腔為半共焦腔，束腰在平面鏡位置處R020.5 1.06 10 6 290 m2 3.14.(4 分)3)6 23.14 290 101.06 10 60.249m經(jīng)過透鏡后的光束腰斑半徑0F2F lf2290 10 6 0.1220.1 0.20.249108 m (6).(3 分)腰斑位置F20.1_20.2 0.10.1220.114m(7)0.2 0.10.2492(3分)精選2、某四能級系統(tǒng)，其E0為基態(tài)能級，四個能級的簡并度相同。泵浦光頻率與E0、E3間躍遷相對應(yīng)，其躍遷幾率 Wo3 =Wp。E3能級到E2能級的躍遷足夠快，使得E3能級上的粒子數(shù)可忽略，且 E3到其它能

11、級的躍遷可忽略。E2能級的壽命2較長，Ei能級的壽命i較短，但不可忽略，因而 Ei能級上的粒子數(shù)密度不可忽略，E2 Ei的躍遷速率為1/2i,總粒子數(shù)密度為n,求：（15分）1）在E2和Ei間形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)的條件（因無諧振腔，也無相應(yīng)頻率的光入射，因而E2和Ei間的受激輻射和受激吸收可忽略）；（8分）2） E2和Ei間的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度與 Wp、n的關(guān)系式；（4分）3）泵浦極強時E2和Ei間的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度。（3分）解答：D穩(wěn)態(tài)躍遷速率方程： TOC o 1-5 h z 電2 Wp no 0（i）dt2蛆空立0出 2i in ni n2 n （3） 5（分）由（2）式得到ini 一 1（4）2in n2 n1n2 i L（5）2i由（5）可得