華中科技大學(xué)激光原理2002-2015歷年真題(共11頁(yè))

1、 華科考研激光(jgung)原理2002-2015真題2015年（839）一、簡(jiǎn)單(jindn)1、激光(jgung)產(chǎn)生的必要條件？2、激光的四種特性？選擇一種說(shuō)明其用途3、諧振腔的穩(wěn)區(qū)圖，并寫明穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔的位置4、四能級(jí)系統(tǒng)速率方程和圖示二、共焦腔與一般穩(wěn)定腔的對(duì)應(yīng)計(jì)算三、行波腔的均勻加寬和多普勒加寬的最大輸出功率計(jì)算四2015激光原理（900）一、簡(jiǎn)答題1、n 大于0，激光器是否能夠產(chǎn)生自激振蕩？2、光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)和作用3、共焦腔與一般腔的等價(jià)性4、均勻加寬與非均勻加寬的特點(diǎn)5、連續(xù)激光器從開始振蕩到產(chǎn)生穩(wěn)定輸出增益系數(shù)的變化情況6、光學(xué)模式以及橫模和縱模二、三能級(jí)四能級(jí)的本質(zhì)區(qū)別

2、，以及為什么四能級(jí)更容易產(chǎn)生粒子(lz)數(shù)反轉(zhuǎn)三、三能級(jí)(nngj)能級(jí)示意圖，速率方程四、穩(wěn)定(wndng)腔，非穩(wěn)腔，臨界腔計(jì)算判斷(很簡(jiǎn)單)五，光線傳輸矩陣相關(guān)的題2014年一.解釋題1.描述自然加寬和多普勒加寬的成因，說(shuō)明他們屬于什么加寬類型。(15)2.描述一般穩(wěn)定腔和對(duì)稱共焦腔的等價(jià)性。(15)3.增益飽和在連續(xù)激光器穩(wěn)定輸出中起什么作用？譜線加寬是怎樣影響增益飽和特性的？(15)4.說(shuō)明三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別，哪個(gè)系統(tǒng)更容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為什么?(15)二解答題1.一個(gè)折射率為,厚度為d的介質(zhì)放在空氣中，界面是曲率半徑為R的凹面鏡和平面鏡。（1）求光線從空氣入射到凹面

3、鏡并被凹面鏡反射的光線變換矩陣。（2）求光線從凹面鏡進(jìn)入介質(zhì)經(jīng)平面鏡反射再?gòu)陌济骁R射出介質(zhì)的光線變換矩陣。（3）求光線從凹面鏡進(jìn)入介質(zhì)再?gòu)钠矫骁R折射出介質(zhì)的光線變換矩陣。(25)2. 圓形鏡共焦腔的腔長(zhǎng)L=1m，（1）求縱模間隔，橫模間隔,. (2)若在增益閾值之上的增益線寬為60Mhz，問(wèn)腔內(nèi)是否可能存在兩個(gè)以上的縱模震蕩，為什么？(25)3. 虛共焦型非穩(wěn)腔的腔長(zhǎng)L=0.25m，由凹面鏡M1和凸面鏡M2組成，M2的曲率半徑和直徑為,若M2的尺寸不變，要求從M2單端輸出，則M1的尺寸為多少；腔的往返放大率為多少。(20)4. 某連續(xù)行波激光放大器，工作物質(zhì)屬于均勻(jnyn)加寬型，長(zhǎng)度是L

4、，中心頻率的小信號(hào)增益為，初始(ch sh)光強(qiáng)為中心頻率(pnl)飽和光強(qiáng)為，腔內(nèi)損耗系數(shù)為 (),試證明有：（20）(提示：, 構(gòu)造微分方程)2013年一、簡(jiǎn)答：1.說(shuō)出激光器的兩種泵浦方式，并分別舉個(gè)例子。2.什么是空間燒孔？并說(shuō)明對(duì)激光器模式的影響。3.試寫出二能級(jí)的速率方程。并證明二能級(jí)不能產(chǎn)生自激震蕩（設(shè)f1=f2）。4.說(shuō)出三種粒子躍遷的方式。并給出各自的特點(diǎn)。5.什么是增益飽和，在激光器增益中的作用。二、三、就是那個(gè)三個(gè)鏡的三角環(huán)形腔，周版書上的原題，求腔的穩(wěn)定性。四、激光模式的匹配。兩個(gè)平凹腔，分別給出腔長(zhǎng)和半徑，先計(jì)算穩(wěn)定性，再求透鏡放在兩腔之間什么地方以及透鏡的焦距才能實(shí)

5、現(xiàn)兩高斯光速的匹配。五、大信號(hào)增益。（1）給出初始光強(qiáng)I0飽和光強(qiáng)Is，和腔長(zhǎng)L求輸出光強(qiáng)；（2）求極限光輸出功率（單位輸出面積的）。2012年題型：簡(jiǎn)答題5個(gè)，一個(gè)10分。計(jì)算4個(gè)，一個(gè)25分。一、簡(jiǎn)答：1，什么是蘭姆凹陷，說(shuō)明形成條件。2，何為激光模式，解釋橫模、縱模。3，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度大于零時(shí)，是否能形成穩(wěn)定振蕩，說(shuō)明理由。4，非均勻加寬和均勻加寬各有什么特點(diǎn)？5，高斯光束有什么特點(diǎn)？二、計(jì)算(j sun)：1、某諧振腔中除兩反射鏡外所有光學(xué)元件(yunjin)的矩陣元是(A B C D)（2*2矩陣），求證其穩(wěn)定性條件為0g1g21 其中g(shù)1=A-B/R1，g2=C-B/R2具體g1，

6、g2的表達(dá)式可能有誤，供參考2，某腔中有兩個(gè)模式，頻率分別(fnbi)為v1，v2，且v0v1v2，其中v0為中心頻率，試問(wèn)，這兩個(gè)模式是否都能穩(wěn)定振蕩？2011年簡(jiǎn)要(jinyo)回答下列問(wèn)題什么是對(duì)稱(duchn)共焦腔與一般穩(wěn)定球面腔的等價(jià)性？簡(jiǎn)要描述三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)形成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的區(qū)別，三能級(jí)系統(tǒng)形成反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為什么比四能級(jí)系統(tǒng)要困難(kn nn)，試舉例三能級(jí)和四能級(jí)激光器各一種，并說(shuō)明波長(zhǎng)。簡(jiǎn)述非穩(wěn)腔的優(yōu)缺點(diǎn)，畫出實(shí)共焦望遠(yuǎn)鏡的幾何自再現(xiàn)波形。分析均勻加寬固體激光器的模式競(jìng)爭(zhēng)。求所示諧振腔的穩(wěn)定性一種三能級(jí)系統(tǒng)激光器，其S32=5*106 s-1, S21=0, A21=3*10

7、2 s-1, A31=3*106 s-1, g1=g2, 腔內(nèi)只存在一個(gè)諧振模，不計(jì)各種損耗：求在外界泵浦情況下，該激光器的激光形成過(guò)程；列出完整的速率方程；穩(wěn)態(tài)時(shí)，如果介質(zhì)激光上下能級(jí)粒子數(shù)相等，則應(yīng)為多少？在一種Ar+激光器中，其產(chǎn)生的高斯光束束腰半徑為0.41mm，束腰位置恰好在某凸透鏡前表面上，該激光器的輸出功率為400W，透鏡焦距為10mm，試計(jì)算Ar+激光器發(fā)射的激光經(jīng)透鏡聚焦后，焦點(diǎn)處光斑半徑內(nèi)的平均功率密度。（Ar+激光波長(zhǎng)為514.5nm）有一連續(xù)行波激光放大器，工作物質(zhì)具有均勻加寬線型，中心頻率v0處的小信號(hào)增益系數(shù)為Gm，工作物質(zhì)的損耗系數(shù)為，入射光頻率為v0，其有效面積

8、為A，求放大器的最大極限輸出功率Pm。如何利用短腔法選取單縱模？ 激光工作物質(zhì)是釹玻璃，其熒光線寬F=24.0nm，折射率=1.50，能用短腔法選單縱模嗎？為什么？2011年2010年簡(jiǎn)答題1 簡(jiǎn)述受激輻射(fsh)和自發(fā)輻射的區(qū)別2 用小孔光闌簡(jiǎn)述激光形成的物理過(guò)程；3 用小孔光闌簡(jiǎn)述(jin sh)自再現(xiàn)模的形成過(guò)程；4 試畫出雙凸腔的自再線波型5 是簡(jiǎn)述在什么(shn me)情況下是均勻加寬線性函數(shù)，什么情況下是非均勻加寬線性函數(shù)？在非均勻加寬氣體激光其中，線寬是1500MHZ，諧振腔長(zhǎng)108cm，已知反射鏡的透射率分別是0和0.03，求在該激光其中可能存在多少縱模？在單縱模運(yùn)行的固體激

9、光器里，已知輸出波長(zhǎng)為1.06m，諧振腔的長(zhǎng)度100cm，問(wèn)是否存在空間燒孔，求出燒孔周期，如果沒(méi)有燒孔，試說(shuō)明理由。以知高斯光束束腰在Z=O處，試寫出不同位置的等相位面的曲率半徑，并討論等相位面的中心位置，并證明存在曲率半徑最小的位置2009年1.蘭姆凹陷原理2.簡(jiǎn)述激光器激光產(chǎn)生原理3.證明：腔長(zhǎng)相同的所有對(duì)稱穩(wěn)定球面腔中，以共焦腔中基模的模體積最小。 （可能用到的公式: ）4.均勻加寬和非均勻加寬的區(qū)別5.增益飽和的物理意義6.連續(xù)行波激光放大器，告訴了一些參數(shù)（忘了），工作物質(zhì)具有均勻加寬線型或非均勻加寬線型時(shí)，求最大極限輸出功率。2008年一、簡(jiǎn)答題1.什么是增益飽和，為什么連續(xù)激光

10、器能夠連續(xù)穩(wěn)定地輸出激光？2.簡(jiǎn)述自激振蕩形成的過(guò)程。二、列舉三種激光器諧振腔的分析方法，討論這些分析方法的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。三、試證明：在所有相同而R不同的對(duì)稱穩(wěn)定球面腔中，共焦腔的衍射損耗最低，這里(zhl)L表示腔長(zhǎng)，R=R1=R2為對(duì)稱球面腔反射鏡的曲率半徑，a為鏡的橫向線度。2007年簡(jiǎn)答題（25分）增益飽和的物理機(jī)制是什么？它在連續(xù)激光器穩(wěn)定(wndng)運(yùn)行中起什么作用？(5分）簡(jiǎn)述受激輻射的物理(wl)過(guò)程和特點(diǎn)； (5分)蘭姆凹陷是如何形成的？它能夠用作什么應(yīng)用？ (6分)列舉三種激光諧振腔的分析方法，說(shuō)明各自的特點(diǎn)，適用范圍及它們之間的相互關(guān)系。 (9分)光線在類透鏡介質(zhì)中的

11、傳輸距離Z的變換矩陣為： ABCD=cosz1sinz-sinzcosz ，在z=0時(shí)，q參數(shù)為: q0=q(z=0)=-iZ0，試分析：類透鏡介質(zhì)中高斯光束光斑大小的變化規(guī)律；（10分）證明存在一種情況，高斯光束的光斑大小不隨傳播距離發(fā)生變化； （10分）在滿足（2）的情況下，高斯光束的等相位面的曲率半徑如何變化？（5分）4m某激光器（波長(zhǎng)為10.6m）輸出的峰值功率為5kW，光束腰斑半徑為2mm。該激光器的輸出通過(guò)焦距為354mm的透鏡聚焦進(jìn)行材料加工，在這樣一種加工系統(tǒng)中，通過(guò)控制系統(tǒng)可以使激光器的腰斑到聚焦透鏡的距離在2.5到5m間變化，如圖所示，試計(jì)算激光器通過(guò)透鏡聚焦后在焦平面上光

12、強(qiáng)的變化范圍。說(shuō)明可以采用什么措施降低焦平面上光強(qiáng)的波動(dòng)范圍。（20分）1.5m1mCO2 Laser對(duì)于均勻加寬單模運(yùn)轉(zhuǎn)的行波激光器，假設(shè)諧振腔內(nèi)只存在一個(gè)方向傳輸?shù)男胁?，?qǐng)回答下列問(wèn)題：說(shuō)明在此激光諧振腔光軸方向是否存在空間燒孔效應(yīng)？ （8分）試推導(dǎo)(tudo)激光器輸出功率表達(dá)式，并證明(zhngmng)此激光器也存在一個(gè)最佳透過(guò)率使得激光器的輸出功率達(dá)到極大值； （12分）寫出激光器諧振腔內(nèi)光強(qiáng)隨透過(guò)率的變化關(guān)系，是否也存在一個(gè)最佳透過(guò)率使得(sh de)激光器諧振腔內(nèi)的光強(qiáng)達(dá)到極大值？ （5分）對(duì)于由相距L的兩球面鏡（曲率半徑為R1，R2）組成的穩(wěn)定諧振腔，推導(dǎo)鏡面處自洽場(chǎng)光束參數(shù)q

13、的表達(dá)式，由此證明光束在鏡面處的曲率半徑等于該反射鏡的曲率半徑。（15分）畫出諧振腔內(nèi)帶有傾斜耦合鏡的虛共焦非穩(wěn)腔的示意圖，并設(shè)計(jì)一腔長(zhǎng)為1m的虛共焦非穩(wěn)腔，要求諧振腔的能量損耗為36%，分別對(duì)于二維、三維反射鏡的情況，計(jì)算該諧振腔反射鏡的曲率半徑。（20分）TEM00模式的激光光束垂直入射到完全吸收的介質(zhì)平面上，平面中央處有半徑為a的小孔，求該平面對(duì)垂直入射的TEM00模式的透過(guò)率，并計(jì)算當(dāng)小孔半徑正好等于該處基模光斑半徑時(shí)的透過(guò)率值。（20分）2006年（75分）在均勻加寬內(nèi)腔式氣體激光器中，在剛開始點(diǎn)燃時(shí)，可觀察到激光功率不斷起伏，激光頻率在v0附近變化，開始時(shí)頻率不斷減小，在某時(shí)刻有發(fā)

14、生跳變而突然增大，試解釋該現(xiàn)象。（10分）什么是蘭姆凹陷？試說(shuō)明采樣蘭姆凹陷進(jìn)行激光穩(wěn)頻的原理和實(shí)現(xiàn)方式，畫出必要的原理圖和框圖。（15分）設(shè)平行平面腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=1m，一端為全反射，另一端面反射鏡的反射率為R=0.99，試求在1500MHz頻率范圍內(nèi)所包含的縱模數(shù)目和每個(gè)縱模的頻帶寬度。（16分）有一均勻加寬氣體激光器，其增益介質(zhì)長(zhǎng)L=80cm，中心頻率小信號(hào)增益系數(shù)為Gm=0.001cm-1，飽和光強(qiáng)Is=30W*cm-2，線寬為vH=2kHz QUOTE vH=2kHz ，一面反射鏡的透過(guò)率為：T1=0.01，另一面輸出鏡的透過(guò)率T2可變，忽略其他損耗，腔長(zhǎng)L=100cm。求中心頻率處的

15、輸出光強(qiáng)I和T2函數(shù)關(guān)系并作出關(guān)系曲線；（12分）假設(shè)光斑面積A=1mm2，試求中心頻率處T2輸出鏡的最佳透過(guò)率和最大輸出功率；（10分）從鏡面上光斑大小的角度來(lái)分析，當(dāng)光斑尺寸超過(guò)鏡面的線度時(shí)，這樣的模式就不可能存在。試由此估計(jì)一下，在L=30cm，2a=0.2cm的氦氖方形鏡對(duì)稱共焦腔激光器中（波長(zhǎng)為632.8nm）所能夠出現(xiàn)的最高階橫模的階次m（或n）為多大？（12分）2005年（75分）一、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述自激振蕩的形成(xngchng)過(guò)程。（5分）2.試述增益飽和的物理機(jī)制，并說(shuō)明其在連續(xù)穩(wěn)定(wndng)工作的激光器中的作用。（5分）3.試寫出四能級(jí)(nngj)系統(tǒng)的速率方程，畫出

16、能能級(jí)圖并標(biāo)出相關(guān)系數(shù)。（5分）4.什么是對(duì)稱共焦腔和一般穩(wěn)定球面腔的等價(jià)性。（5分）二、一質(zhì)地均勻的材料對(duì)光的吸收系數(shù)為0.01mm-1，光通過(guò)10cm長(zhǎng)的該材料后，出射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的百分之幾？如果一光束通過(guò)長(zhǎng)度為1m的均勻激活的工作物質(zhì)，要求出射光強(qiáng)是入射光強(qiáng)的兩倍，試求該工作物質(zhì)的增益系數(shù)。（10分）三、三個(gè)反射平面鏡組成的等邊三角形的環(huán)行腔，每邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，其中一邊的中點(diǎn)放有焦距為F的透鏡，（12分）（1）畫出該腔的等效透鏡波導(dǎo)；L/F為何值時(shí)，該腔是穩(wěn)定腔；（3）不用數(shù)學(xué)推導(dǎo)能否指出束腰的位置。四、有一長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)的均勻加寬連續(xù)放大器，其工作物質(zhì)的有效截面積為A，在頻率v0處的小信號(hào)增益

17、系數(shù)為G0，內(nèi)部損壞為，飽和光強(qiáng)為Is，入射光的頻率為v0，入射光功率為P0，試求該放大器的極限輸出功率Pm。（15分）五、試述均勻加寬和非均勻加寬的特點(diǎn)和區(qū)別，并簡(jiǎn)述在均勻加寬激光器中的自選模過(guò)程和非均勻加寬激光器的多縱模振蕩。（18分）2004年（75分）一、簡(jiǎn)答題1.一光束入射到長(zhǎng)10cm、增益系數(shù)為0.5cm-1的工作物質(zhì)中，求出射光強(qiáng)對(duì)入射光強(qiáng)的比值；（6分）2.小信號(hào)增益系數(shù)和大信號(hào)增益系數(shù)有何不同，如何區(qū)分？（6分）3.簡(jiǎn)要說(shuō)明三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過(guò)程中的特點(diǎn)。（8分）二、試分析強(qiáng)光作用下弱光增益系數(shù)的特點(diǎn)，分均勻加寬和非均勻加寬兩種情況分別討論。（15分）三、腔長(zhǎng)

18、為1m的激光諧振腔，由于周圍環(huán)境溫度的變化，腔長(zhǎng)將有沿光軸方向的微小變化，如果要保證縱模頻率變化在1Hz以內(nèi)，試問(wèn)(shwn)：允許腔長(zhǎng)改變的最大值是多少？（15分）四、一均勻加寬氣體激光器，增益介質(zhì)長(zhǎng)l=80cm，中心頻率(pnl)小信號(hào)增益系數(shù)Gm=0.001cm，飽和(boh)光強(qiáng)Is=30W*cm-2，線寬為vH=2kHz QUOTE vH=2kHz ，一面反射鏡的透過(guò)率為：T1=0.01，另一面輸出鏡的透過(guò)率T2可變，忽略其他損耗，腔長(zhǎng)L=100cm。求輸出光強(qiáng)I和T2的函數(shù)關(guān)系并作出關(guān)系曲線；（15分）（2）假設(shè)光斑面積A=1mm2，分別求激光器兩端的輸出功率P。（10分）2003

19、年（75分）一、簡(jiǎn)答題1.什么是小信號(hào)增益系數(shù)？在其他條件相同的情況下，小信號(hào)增益的系數(shù)對(duì)激光輸出功率有什么影響？（8分）2.兩鏡共軸共焦腔是穩(wěn)定腔嗎？為什么？（5分）3.為什么激光的譜線總是有一定的寬度？（5分）4.試說(shuō)明模體積的大小對(duì)激光輸出的作用。（5分）二、試分析均勻加寬和非均勻加寬的作用在小信號(hào)和大信號(hào)時(shí)對(duì)產(chǎn)生激光的縱模數(shù)的影響。（20分）三、TEM01模式的激光光束垂直入射到完全吸收的介質(zhì)平面上，平面中央處有半徑為a的小孔，求該平面對(duì)垂直入射的TEM01模式的透過(guò)率，并計(jì)算當(dāng)小孔半徑正好等于該處基模光斑半徑時(shí)的透過(guò)率值。（17分）（ ）四、有一連續(xù)行波激光放大器，中心頻率v0處的小信號(hào)增益系數(shù)為Gm，工作物質(zhì)的損耗系數(shù)為，入射光的頻率為v0，其有效面積為A，求放大器的極限輸出功率Pm。設(shè)工作物質(zhì)具有（1）均勻加寬線型；（2）非均勻加寬線型。（15分）2002年（75分）一、簡(jiǎn)答題1.當(dāng)粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)大于